Особенности молекул в физике
В отдельных разделах физики к молекулам причисляют также одноатомные молекулы, то есть свободные (химически не связанные) атомы (например, инертных газов, ртути и т. п.).
Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют молекулярными ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) — радикалами.
Строение молекул и их свойства
Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.
К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твёрдом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода(IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твёрдых (кристаллических) неорганических веществ состоят не из молекул, а из ионов или атомов и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.).
Химическое строение и взаимодействия молекул
Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул.
Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между электрически нейтральными молекулами в пространстве. В зависимости от полярности молекул характер межмолекулярного взаимодействия разный. Природа последнего оставалась до конца неясной до создания квантовой механики.
Элементарные частицы и теории взаимодействия
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны.
Классическая теория химического строения молекул
В классической теории химического строения молекула рассматривается как наименьшая стабильная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. В этом определении к молекулам относятся и одноатомные частицы (в частности, молекулы инертных газов).
Структура молекул в классической химии
Молекула данного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых химическими связями. Однако, химическая индивидуальность молекулы определяется конфигурацией химических связей, валентными взаимодействиями между атомами, обеспечивающими стабильность и основные свойства в различных условиях.
Взаимодействия и свойства молекул
В молекуле могут существовать невалентные взаимодействия, такие как водородные связи, которые влияют на свойства молекулы и вещества в целом, но не включаются в критерий индивидуальности молекулы.
Химическая связь и структура молекулы
Центральным положением классической теории является химическая связь, которая может быть не только двухцентровой, но и многоцентровой, при участии мостиковых атомов. В классической теории рассматриваются характеристики, такие как валентные углы, длины связей и энергии.
Динамическая система молекулы
Молекула в классической теории представляется динамической системой, где атомы рассматриваются как материальные точки, способные совершать механические вращательные и колебательные движения. Молекула рассматривается как система гармонических осцилляторов.
Состав молекулы и связи
Молекула состоит из атомных ядер, окруженных внутренними и внешними электронами, образующими химические связи. Химические формулы передают состав молекулы, учитывая внутренние и внешние электроны, которые не всегда участвуют в образовании связей.
Заключение
Следует отметить, что состав и структура молекулы не зависят от способа получения вещества. Химические связи и взаимодействия определяют основные свойства молекул и вещества в целом, делая их уникальными и различающимися между собой.
Геометрия молекул: роль радиусов атомов
Геометрическая структура молекулы определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. При сближении атомов образуется химическая связь, что приводит к их сильному притяжению. Однако при дальнейшем сближении начинают действовать электростатические силы отталкивания атомных ядер. Препятствием к сильному сближению атомов является невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек.
Радиусы атомов и молекул
Каждому атому в молекуле можно приписать определенный атомный или ковалентный радиус, который характеризует размеры его электронной оболочки. Размер электронной оболочки молекулы является условной величиной, но его можно определить с помощью различных методов, включая рентгеноструктурный анализ молекулярных кристаллов.
Ван-дер-ваальсовы радиусы
Радиус Ван-дер-Ваальса существенно превышает ковалентный. Зная величины ван-дер-ваальсовых, ковалентных и ионных радиусов, можно создать модели молекул, отражающие форму и размеры их электронных оболочек.
Понимание радиусов атомов играет важную роль в изучении геометрии молекул и их свойств.
Ковалентные химические связи и геометрия молекул
Ковалентные химические связи в молекуле расположены под определёнными углами, которые зависят от состояния гибридизации атомных орбиталей.
Для молекул насыщенных органических соединений характерно тетраэдральное (четырёхгранное) расположение связей, образуемых атомом углерода.
Для молекул с двойной связью () — плоское расположение атомов углерода, для молекул соединений с тройной связью () — линейное расположение связей.
Таким образом, многоатомная молекула имеет определённую конфигурацию в пространстве, что определяет её геометрию расположения связей.
Симметрия и энантиомеры
Молекула характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если молекула не имеет плоскости и центра симметрии, то она может существовать в двух конфигурациях, представляющих собой зеркальные отражения друг друга.
Важно отметить, что все важнейшие биологические функциональные вещества в живой природе существуют в форме одного определённого энантиомера.
Конформация и свойства макромолекул
Молекулы, содержащие одинарные связи (сигма-связи), не включённые в трехчленные циклы, могут существовать в различных конформациях, возникающих при поворотах атомных групп или фрагментов молекул вокруг этих связей.
Важные особенности свойств макромолекул синтетических и биологических полимеров определяются именно их конформационными свойствами.
Квантохимическая теория химического строения
В квантохимической теории химического строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, является её электронная и пространственная (стереохимическая) конфигурации.
Электронная конфигурация молекулы с наинизшей энергией является основным энергетическим состоянием.
Взаимодействие атомов при образовании молекулы
Химические связи в молекулах подавляющего большинства органических соединений являются ковалентными.
Среди неорганических соединений существуют ионные и донорно-акцепторные связи, которые реализуются в результате обобществления пары электронов атома.
Энергия образования молекулы из атомов во многих рядах подобных соединений приближённо аддитивна.
Энергия молекулы представляет собой сумму энергий её связей, имеющих постоянные значения в таких рядах.
Аддитивность энергии молекулы выполняется не всегда. Примером нарушения аддитивности являются плоские молекулы органических соединений с так называемыми сопряжёнными связями, то есть с кратными связями, которые чередуются с одинарными. Сильная делокализация p-состояний электронов приводит к стабилизации молекулы. Выравнивание электронной плотности вследствие коллективизации -состояний электронов по связям выражается в укорочении двойных связей и удлинении одинарных. В бензоле углерод–углеродные связи одинаковы, образуют правильный шестиугольник и имеют длину, среднюю между длиной одинарной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах. Современная квантовомеханическая теория химических связей учитывает делокализации не только -, но и -состояний электронов, которая наблюдается в любых молекулах.
В подавляющем большинстве случаев суммарный спин валентных электронов в молекуле равен нулю. Молекулы, содержащие неспаренные электроны — свободные радикалы (например, атомарный водород Н, метил ·CH3), обычно неустойчивы, поскольку при их взаимодействии друг с другом происходит значительное снижение энергии вследствие образования ковалентных связей. Они могут устойчиво существовать при таких температурах, когда средняя кинетическая энергия молекулы превосходит или сравнима с энергией связи, но при этом ниже энергии разрушения (например ионизации) радикала.
Представление структуры молекул
Молекулы состоят из электронов и атомных ядер, расположение последних в молекуле отражает структурная формула (для передачи состава используется так называемая молекулярная формула). Молекулы белков и некоторых искусственно синтезированных соединений могут содержать сотни тысяч атомов. Отдельно рассматриваются макромолекулы полимеров.
Молекулы являются объектом изучения теории строения молекул, квантовой химии, аппарат которых активно использует достижения квантовой физики, в том числе релятивистских её разделов. Также в настоящее время развивается такая область химии, как молекулярный дизайн. Для определения строения молекул конкретного вещества современная наука располагает широким набором методов: электронная спектроскопия, колебательная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс и многие другие, но единственными прямыми методами в настоящее время являются дифракционные методы, а именно: рентгеноструктурный анализ и дифракция нейтронов.
Молекулы в химии, физике и биологии
Понятие молекулы является основным для химии, и большей частью сведений о строении и функциональность молекул наука обязана химическим исследованиям. Химия определяет строение молекул на основе химических реакций и, наоборот, на основе строения молекулы определяет, каким будет ход реакций.
Строением и свойствами молекулы определяются физические явления, которые изучаются молекулярной физикой. В физике понятие молекулы используется для объяснения свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Подвижностью молекул определяется способность вещества к диффузии, его вязкость, теплопроводность и т. д. Первое прямое экспериментальное доказательство существования молекул было получено французским физиком Жаном Перреном в 1906 году при изучении броуновского движения.
Поскольку все живые организмы существуют на основе тонко сбалансированного химического и нехимического взаимодействия между молекулами, изучение строения и свойств молекул имеет фундаментальное значение для биологии и естествознания в целом.
Развитие биологии, химии и молекулярной физики привели к возникновению молекулярной биологии, которая исследует основные явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных молекул.
Спектры и строение молекул
Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояниях молекул и вероятности перехода между ними дают молекулярные спектры.
Частоты колебаний в спектрах определяются массами атомов, их расположением и динамикой межатомных взаимодействий. Частоты в спектрах зависят от моментов инерции молекул, определение которых из спектроскопических данных позволяет получить точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от её симметрии.
Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей. Спектры молекул, которые имеют большее количество связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются окраской; к таким веществам относятся все органические красители.
Электрические и оптические свойства молекул
Поведение вещества в электрическом поле определяется основными электрическими характеристиками молекул — постоянным дипольным моментом и поляризуемостью.
Дипольный момент означает несовпадение «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле (электрическую асимметрию молекулы). То есть молекулы, имеющие центр симметрии, например H2, лишены постоянного дипольного момента.
Поляризуемость — это способность электронной оболочки любой молекулы перемещаться под действием электрического поля, в результате чего в молекуле образуется наведённый дипольный момент. Значение дипольного момента и поляризуемости определяют экспериментально с помощью измерения диэлектрической проницаемости.
Оптические свойства вещества характеризуют его поведение в переменном электрическом поле световой волны и определяются поляризуемостью молекулы этого вещества. С поляризуемостью непосредственно связаны преломление и рассеяние света, оптическая активность и другие явления, изучаемые молекулярной оптикой.
Классификация неорганических веществ
Все неорганические вещества можно разделить на простые и сложные.
Простыми веществами называют такие вещества, которые образованы атомами одного химического элемента.
Сложные вещества – вещества, образованные из атомов нескольких химических элементов.
Среди простых веществ различают неметаллы и металлы.
Типичные неметаллы – это элементы, для атомов которых характерна способность к присоединению электронов. К неметаллам относятся элементы, которые находятся в главных подгруппах выше условной линии бор – астат.
Среди неметаллов можно выделить подгруппу галогенов: элементы F, Cl, Br, I, At (VIIA группа).
Неметаллы, расположенные в VIIIA группе, а именно: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, носят название инертные, или благородные, газы.
Металлы – это элементы, атомы которых способны отдавать электроны.
В таблице Менделеева металлы расположены ниже условной диагонали от бора к астату. Также все элементы, расположенные в побочных подгруппах, являются металлами.
Среди сложных веществ различают оксиды, гидроксиды, соли, летучие водородные соединения.
Оксиды – сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород в степени окисления -2.
Оксиды классифицируют на несолеобразующие (CO, NO, N2O, SiO) и солеобразующие.
Солеобразующие оксиды подразделяют на кислотные, амфотерные и основные.
Кислотные оксиды – оксиды неметаллов (CO2, SO2, P2O5, NO2) и оксиды металлов в степени окисления +5, +6, +7 (V2O5, WO3, Mn2O7).
Основные оксиды – оксиды металлов в степени окисления +1, +2 (Na2O, CrO).
Амфотерные оксиды – оксиды металлов в степени окисления +3, +4 (Al2O3, MnO2), а также ZnO, BeO, PbO, SnO.
Сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород в степени окисления -1, называются пероксидами (Na2O2, BaO2).
Также среди сложных веществ можно выделить класс гидроксидов.
Гидроксиды – сложные вещества, состоящие из катионов металла или аммония и гидроксогрупп.
По проявляемым свойствам гидроксиды могут быть основными (или основаниями), амфотерными и кислотными.
Основания (или основные гидроксиды) – гидроксиды металлов, степень окисления которых составляет +1, +2 (NaOH, Cr(OH)2).
Среди оснований выделяют щелочи.
Щелочи – растворимые гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (к щелочам также относят Ca(OH)2, хотя по таблице растворимости он малорастворим).
Амфотерные гидроксиды – гидроксиды металлов в степени окисления +3,+4 (Cr(OH)3, Fe(OH)3), а также Be(OH)2, Zn(OH)2, Sn(OH)2, Pb(OH)2.
Кислоты – сложные вещества, состоящие из атомов водорода и анионов кислотного остатка.
По составу кислотного остатка кислоты классифицируют на кислородсодержащие (HNO3) и бескислородные (HF), по числу атомов водорода – на одноосновные (HClO), двухосновные (H2SO4) и трехосновные (H3PO4).
Соли – сложные вещества, являющиеся продуктами полного или частичного замещения атомов водорода в кислотах на атомы металлов или катион аммония или частичного замещения гидроксогрупп в основаниях на кислотный остаток.
Среди солей можно выделить следующие группы:
Кроме того, среди солей можно выделить тип кристаллогидратов: Na2CO3⋅10H2O.
Такие вещества, как NH3, PH3, CH4, SiH4, AsH3, BH3, относятся к классу летучих водородных соединений.
Магнитные свойства молекул
Молекулы и макромолекулы подавляющего большинства химических соединений являются диамагнитными. Магнитная восприимчивость молекул () для отдельных органических соединений может быть выражена как сумма значений для отдельных связей.
Молекулы, имеющие постоянный магнитный момент, является парамагнитными. К таковым относятся молекулы с нечётным количеством электронов на внешней оболочке (например, NO и любые свободные радикалы), молекулы, содержащие атомы с незаполненными внутренними оболочками (например, переходные металлы). Магнитная восприимчивость парамагнитных веществ зависит от температуры, поскольку тепловое движение препятствует ориентации магнитных моментов в магнитном поле.