Estructura y propiedades de las moléculas

Todos los cuerpos que nos rodean consisten en átomos. Los átomos, a su vez, se ensamblan en una molécula. Es debido a diferencias en la estructura molecular, es posible hablar de sustancias distintas, en función de sus propiedades y parámetros. Las moléculas y los átomos están siempre en una posición a los altavoces. Aún así, no dispersan en diferentes direcciones, y se mantienen en una cierta estructura, se debe la existencia de una gran variedad de tales sustancias en todo el mundo que nos rodea. ¿Qué tipo de partículas y cuáles son sus propiedades?

Conceptos generales

Si comenzar a partir de la teoría de la mecánica cuántica, la molécula no consiste en átomos y se interactúa constantemente sus núcleos y electrones.

Para algunas sustancias, la molécula es la más pequeñauna partícula que tiene la composición y las propiedades químicas de la sustancia misma. Por lo tanto, las propiedades de las moléculas desde el punto de vista de la química están determinadas por su estructura y composición química. Pero solo para las sustancias con una regla de estructura molecular: las propiedades químicas de las sustancias y las moléculas son las mismas. Para algunos polímeros, por ejemplo, etileno y polietileno, la composición no corresponde a la molecular.

Se sabe que las propiedades de las moléculas no están determinadassólo por el número de átomos, su tipo, sino también de la configuración, el orden de conexión. La molécula - es una estructura arquitectónica compleja, donde cada elemento se encuentra en su lugar y tiene su barrio específico. La estructura atómica puede ser más o menos rígida. Cada átomo oscila en relación con su posición de equilibrio.

Configuración y configuración

Sucede que algunas partes de la molécula giran en relación con otras partes. Por lo tanto, en el proceso de movimiento térmico, una molécula libre adquiere formas extrañas (configuraciones).

En general, las propiedades de las moléculas están determinadas por el enlace(su tipo) entre los átomos y la arquitectura de la molécula misma (estructura, forma). Por lo tanto, antes que nada, la teoría química general considera los enlaces químicos y se basa en las propiedades de los átomos.

Con una polaridad fuertemente pronunciada, las propiedades de las moléculasEs difícil describir correlaciones de dos o tres constantes, que son excelentes para las moléculas no polares. Por lo tanto, se introdujo un parámetro adicional con un momento dipolo. Pero este método no siempre es exitoso, ya que las moléculas polares tienen características individuales. También se han propuesto parámetros para dar cuenta de los efectos cuánticos que son importantes a bajas temperaturas.

¿Qué sabemos sobre la molécula de la sustancia más abundante en la Tierra?

De todas las sustancias en nuestro planeta, la mayoríalo común es el agua Esto, en un sentido literal, da vida a todo lo que existe en la Tierra. Solo los virus pueden prescindir de él, otras estructuras vivas en su composición en su mayor parte tienen agua. ¿Qué propiedades de la molécula de agua, característica solo de ella, se utilizan en la vida económica del hombre y en la naturaleza viva de la Tierra?

¡Después de todo, esta es realmente una sustancia única! El conjunto de propiedades inherentes al agua no puede presumir más que cualquier sustancia.

El agua es el principal solvente en la naturaleza. Todas las reacciones que tienen lugar en los organismos vivos, de una forma u otra, ocurren en el medio acuático. Es decir, las sustancias reaccionan cuando están en un estado disuelto.

El agua tiene una excelente capacidad de calor, pero bajaconductividad térmica Gracias a tales propiedades, podemos usarlo como un transporte de calor. Este principio es parte del mecanismo de enfriamiento de una gran cantidad de organismos. En energía nuclear, las propiedades de la molécula de agua sirvieron como excusa para usar esta sustancia como refrigerante. Además de poder ser un medio reactivo para otras sustancias, el agua misma puede entrar en reacciones: fotólisis, hidratación y otras.

El agua limpia natural es un líquido que no tiene olor, color y sabor. Pero en el espesor de la capa, más de 2 metros, el color se vuelve azulado.

Toda la molécula de agua es un dipolo (dos polos diferentes). Es la estructura del dipolo que determina principalmente las propiedades inusuales de esta sustancia. La molécula de agua es un diamagnet.

Otra propiedad interesante se descongelaagua: su molécula adquiere una proporción áurea, y la estructura de la sustancia - las proporciones de la sección dorada. Muchas propiedades que posee una molécula de agua se establecen mediante el análisis de la absorción y emisión de espectros rayados en la fase gaseosa.

Ciencias naturales y propiedades moleculares

Todas las sustancias, excepto las químicas, tienen las propiedades físicas de las moléculas que componen su estructura.

En la ciencia física, el concepto de moléculas se utiliza paraexplicaciones de las propiedades de sólidos, líquidos y gases. La capacidad de todas las sustancias para difundir, su viscosidad, conductividad térmica y otras propiedades están determinadas por la movilidad de las moléculas. Cuando el físico francés Jean Perrin estudió el movimiento browniano, experimentalmente demostró la existencia de moléculas. Todos los organismos vivos existen debido a la interacción interna finamente equilibrada en la estructura. Todas las propiedades químicas y físicas de las sustancias son de fundamental importancia para las ciencias naturales. El desarrollo de la física, la química, la biología y la física molecular condujo a la aparición de una ciencia como la biología molecular, que estudia los principales fenómenos de la vida.

Usando termodinámica estadística,las propiedades físicas de las moléculas, que determinan los métodos de espectroscopía molecular, en la química física determinan las propiedades termodinámicas de las sustancias necesarias para calcular los equilibrios químicos y las tasas de su establecimiento.

¿Cuál es la diferencia entre las propiedades de los átomos y las moléculas?

En primer lugar, los átomos no se encuentran en el estado libre.

Las moléculas tienen espectros ópticos más ricos. Esto se debe a la menor simetría del sistema y al advenimiento de la posibilidad de nuevas rotaciones y oscilaciones de los núcleos. En una molécula, la energía total consiste en tres energías, que son diferentes en el orden de magnitud de los componentes:

• capa de electrones (radiación óptica o ultravioleta);
• Oscilaciones de núcleos (parte infrarroja del espectro);
• Rotación de la molécula en su conjunto (rango de radiofrecuencia).

Los átomos emiten espectros de línea característicos, y las moléculas están rayadas, formadas por muchas líneas muy espaciadas.

Análisis espectral

Ópticas, eléctricas, magnéticas y otras.Las propiedades de la molécula también están determinadas por la conexión con las funciones de onda. Los datos sobre los estados de las moléculas y la probable transición entre ellos muestran los espectros moleculares.

Transiciones (electrónicas) en moléculas muestranLos enlaces químicos y la estructura de sus capas de electrones. Los espectros con un mayor número de enlaces tienen bandas de absorción de longitud de onda larga que caen en la región visible. Si una sustancia se construye a partir de tales moléculas, tiene un color característico. Estos son todos los tintes orgánicos.

Propiedades de las moléculas de la misma sustancia.Son los mismos en todo estado de agregación. Esto significa que para las mismas sustancias las propiedades de las moléculas del líquido, las sustancias gaseosas no difieren de las propiedades del sólido. Una molécula de una sustancia siempre tiene la misma estructura, independientemente del estado de agregación de la sustancia en sí.

Especificaciones electricas

El comportamiento de una sustancia en un campo eléctrico está determinado por las características eléctricas de las moléculas: polarizabilidad y un momento dipolar constante.

El momento dipolar es la asimetría eléctrica de la molécula. En moléculas que tienen un centro de simetría, como H₂No hay momento dipolar constante. La capacidad de la capa de electrones de una molécula para moverse bajo la influencia de un campo eléctrico, como resultado de lo cual se forma un momento dipolar inducido en ella, es polarizable. Para encontrar el valor de la polarizabilidad y el momento dipolar, es necesario medir la constante dieléctrica.

Comportamiento del campo eléctrico ACLas ondas de luz caracterizan las propiedades ópticas de una sustancia, que están determinadas por la polarización de la molécula de esta sustancia. Asociado directamente con la polarizabilidad: dispersión, refracción, actividad óptica y otros fenómenos de la óptica molecular.

A menudo puede escuchar la pregunta: “¿De qué, además de las moléculas, dependen las propiedades de una sustancia?” La respuesta es bastante simple.

Las propiedades de las sustancias, además de la isometría y la estructura cristalina, están determinadas por la temperatura ambiente, la sustancia en sí, la presión y la presencia de impurezas.

Química de moléculas

Antes de la formación de tal ciencia como cuántica.La mecánica, la naturaleza de los enlaces químicos en las moléculas era un misterio sin resolver. La física clásica no pudo explicar la dirección y la saturabilidad de los enlaces de valencia. Después de crear la información teórica básica sobre el enlace químico (1927) en el ejemplo de la molécula H2 más simple, la teoría y los métodos de cálculo comenzaron a mejorar gradualmente. Por ejemplo, sobre la base del uso generalizado del método de los orbitales moleculares, la química cuántica, fue posible calcular las distancias interatómicas, la energía de las moléculas y enlaces químicos, la distribución de la densidad electrónica y otros datos que coincidieron completamente con los experimentales.

Las sustancias con la misma composición, pero diferente estructura química y diferentes propiedades, se denominan isómeros estructurales. Tienen diferentes fórmulas estructurales, pero las mismas fórmulas moleculares.

Se conocen varios tipos de isomería estructural. Las diferencias están en la estructura del esqueleto de carbono, la posición del grupo funcional o la posición de un enlace múltiple. Además, todavía hay isómeros espaciales, en los que las propiedades de una molécula de sustancia se caracterizan por la misma composición y estructura química. Por lo tanto, tienen las mismas fórmulas estructurales y moleculares. Las diferencias se encuentran en la forma espacial de la molécula. Para la imagen de diferentes isómeros espaciales se utilizan fórmulas especiales.

Hay compuestos que se llaman homólogos. Son similares en estructura y propiedades, pero difieren en composición por uno o varios grupos CH2. Todas las sustancias similares en estructura y propiedades se combinan en series homólogas. Habiendo estudiado las propiedades de un homólogo, puedes discutir sobre cualquiera de ellos. El conjunto de homólogos es una serie homóloga.

En la transformación de estructuras de la sustancia química.Las propiedades moleculares cambian dramáticamente. Un ejemplo son los compuestos más simples: el metano, que se combina incluso con un átomo de oxígeno, se convierte en un líquido tóxico con el nombre de metanol (alcohol metílico - СН3ОН). En consecuencia, su complementariedad química y acción sobre los organismos vivos se vuelven diferentes. Similares cambios, pero más complejos, ocurren cuando se modifican las estructuras de las biomoléculas.

Las propiedades moleculares químicas son altamente dependientesde la estructura y propiedades de las moléculas: de los enlaces de energía en ella y de la geometría de la molécula. Esto funciona especialmente en compuestos biológicamente activos. La reacción en competencia que predomina a menudo está determinada solo por factores espaciales, que a su vez dependen de las moléculas iniciales (su configuración). Una molécula que tiene una configuración "inconveniente" no reaccionará en absoluto, y la otra, con la misma composición química pero diferente geometría, puede reaccionar a la reacción instantáneamente.

Un gran número de procesos biológicos.observado durante el crecimiento y la reproducción, debido a las relaciones geométricas entre los productos de reacción y los materiales de partida. Para su información: el efecto de una cantidad considerable de nuevos medicamentos se basa en la estructura similar de las moléculas de cualquier compuesto que sea biológicamente perjudicial para el cuerpo humano. El fármaco ocupa el lugar de la molécula nociva y complica su acción.

Con la ayuda de fórmulas químicas expresan la composición yPropiedades de las moléculas de diferentes sustancias. Sobre la base del peso molecular, análisis químico, se establece una proporción atómica y se compila una fórmula empírica.

Geometría

Determinación de la estructura geométrica de la molécula.Producido teniendo en cuenta la disposición de equilibrio de los núcleos atómicos. La energía de interacción de los átomos depende de la distancia entre los núcleos de los átomos. A distancias muy grandes esta energía es cero. Cuando los átomos se aproximan, comienza a formarse un enlace químico. Entonces los átomos se atraen fuertemente entre sí.

Si hay una atracción débil, entoncesLa formación de un enlace químico no es necesaria. Si los átomos comienzan a acercarse a distancias más cercanas, las fuerzas repulsivas electrostáticas comienzan a actuar entre los núcleos. Un obstáculo para la fuerte convergencia de los átomos es la incompatibilidad de sus envolturas electrónicas internas.

Dimensiones

Es imposible ver las moléculas a simple vista. Son tan pequeños que incluso un microscopio con un aumento de 1000x no nos ayudará a verlos. Los biólogos observan bacterias de 0.001 mm. Pero las moléculas son cientos y miles de veces más pequeñas.

Hoy en día, la estructura de las moléculas de una determinada sustancia.Determinado por métodos de difracción: difracción de neutrones, análisis estructural de rayos X. También hay espectroscopia vibracional y método paramagnético electrónico. La elección del método depende del tipo de sustancia y su estado.

El tamaño de una molécula es una cantidad condicional siTener en cuenta la cáscara electrónica. El punto es la distancia de los electrones a los núcleos atómicos. Cuanto más grandes son, menos probabilidades hay de encontrar los electrones de la molécula. En la práctica, el tamaño de las moléculas se puede determinar considerando la distancia de equilibrio. Esta es la brecha en la que las moléculas pueden converger cuando están empaquetadas herméticamente en un cristal molecular y en un líquido.

Largas distancias posicionan moléculas paraAtracción, y pequeña, por el contrario, a la repulsión. Por lo tanto, el análisis de rayos X de los cristales moleculares ayuda a encontrar el tamaño de la molécula. Al utilizar el coeficiente de difusión, la conductividad térmica y la viscosidad de los gases, así como la densidad de una sustancia en estado condensado, se puede determinar el orden de magnitud de los tamaños moleculares.