Молекула

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Схематичне зображення молекули води
Структура частини подвійної спіралі ДНК

Моле́кула (новолат. molecula, зменшувально від лат. moles — маса) — здатна до самостійного існування частинка простої або складної речовини, що має її основні хімічні властивості, які визначаються її складом та будовою.

Будова та склад молекули[ред.ред. код]

Молекула складається з атомів, а якщо точніше, то з атомних ядер, оточених певним числом внутрішніх електронів, та зовнішніх валентних електронів, які утворюють хімічні зв'язки. Внутрішні електрони атомів, зазвичай, не беруть участі в утворенні хімічних зв'язків. Склад та будова молекул речовини не залежать від способу її отримання. У випадку одноатомних молекул (наприклад, інертних газів) поняття молекули й атома збігаються.

Атоми об'єднуються в молекулі в більшості випадків за допомогою хімічних зв'язків. Як правило, такий зв'язок утворюється однією, двома або трьома парами електронів, які перебувають у спільному володінні двох атомів, утворюючи спільну електронну хмару, форма якої описується типом гібридизації. Молекула може мати позитивно та негативно заряджені атоми (йони).

Склад молекули передається хімічними формулами. Емпірична формула встановлюється на основі атомного співвідношення елементів речовини та молекулярної маси.

Геометрична структура молекули визначається рівноважним розташуванням атомних ядер. Енергія взаємодії атомів залежить від відстані між ядрами. На дуже великих відстанях ця енергія дорівнює нулю. Якщо при зближенні атомів утворюється хімічний зв'язок, то атоми сильно притягаються один до одного (слабке притягання спостерігається і без утворення хімічного зв'язку); при подальшому зближенні починають діяти електростатичні сили відштовхування атомних ядер. Перепоною до сильного зближення атомів є також неможливість суміщення їх внутрішніх електронних оболонок.

Рівноважні відстані в двоатомних і багатоатомних молекулах та розташування атомних ядер визначаються методами спектроскопії, рентгенівського структурного аналізу, електронографії та нейтронографії, які дозволяють отримати інформацію про розподіл електронів (електронну густину) в молекулі. Рентгенографічне випромінювання молекулярних кристалів дає можливість встановити геометричну будову дуже складних молекул, навіть молекул білків.

Кожному атому в певному валентному стані в молекулі можна приписати певний атомний або ковалентний радіус (у випадку іонного зв'язку - іонний радіус), який характеризує розміри електронної оболонки атому (йону), що утворює хімічний зв'язок в молекулі.

Розмір молекули, тобто розмір її електронної оболонки, є величиною до певної міри умовною. Існує ймовірність (хоча й дуже мала) знайти електрони молекули і на більшій відстані від її атомного ядра. Практичні розміри молекули визначаються рівноважною відстанню, на яку вони можуть бути зближені за щільного упакування молекули в молекулярному кристалі та в рідині. На великих відстанях молекули притягаються одна до одної, на менших - відштовхуються. Розміри молекули можна знайти за допомогою рентгеноструктурного аналізу молекулярних кристалів. Порядок величини цих розмірів може бути визначений з коефіцієнтів дифузії, теплопровідності та в'язкості газів та з густини речовини в конденсованому стані. Відстань, на яку можуть зблизитись валентно не пов'язані атоми однієї й тієї ж чи різних молекул, може бути охарактеризована середніми значеннями так званих ван дер Ваальсових радіусів (Ǻ).

Ван дер Ваальсові радіуси суттєво перевищують коваленті. Знаючи величини ван дер Ваальсових, ковалентних та йонних радіусів, можна побудувати наочні моделі молекул, які б відображали форму й розміри їхніх електронних оболонок.

Ковалентні хімічні зв'язки в молекулі розташовані під певними кутами, які залежать від стану гібридизації атомних орбіталей. Так, для молекул насичених органічних сполук характерно тетраедральне (чотиригранне) розташування зв'язків, що утворюються атомом вуглецю; для молекул з подвійним зв'язком (С=С) - пласке розташування атомів вуглецю; для молекул сполук з потрійним зв'язком (СºС) - лінійне розташування зв'язків.

Таким чином, багатоатомна молекула має певну конфігурацію у просторі, тобто певну геометрію розташування зв'язків, яка не може бути змінена без їх розриву. Молекула характеризується тією чи іншою симетрією розташування атомів. Якщо молекула не має площини і центру симетрії, то вона може існувати в двох конфігураціях, які являють собою дзеркальні відображення одна одної (дзеркальні антиподи, або стереоізомери. Всі найважливіші біологічні функціональні речовини в живій природі існують в формі одного певного стереоізомера.

Молекули, які містять одиничні зв'язки або сігма-зв'язки, можуть існувати в різних конформаціях, що виникають при поворотах атомних груп навколо одиничних зв'язків. Важливі особливості макромолекул синтетичних і біологічних полімерів визначаються саме їхніми конформаційними властивостями.

Взаємодія атомів у молекулі[ред.ред. код]

Природа хімічних зв'язків в молекулі залишалася загадкою аж до створення квантової механіки - класична фізика не могла пояснити насичуваність і направленість валентних зв'язків. Основи теорії хімічного зв'язку були створені в 1927 році Гайтлером та Лондоном на прикладі найпростішої молекули Н2. Пізніше теорія і методи розрахунків були значно вдосконалені.

Хімічні зв'язки в молекулах переважної більшості органічних сполук є ковалентними. Серед неорганічних сполук існують іонні та донорно-акцепторні зв'язки, які реалізуються в результаті усуспільнення пари електронів атома.

Енергія утворення молекули з атомів в багатьох рядах подібних сполук наближено аддитивна. Тобто можна вважати, що енергія молекули - це сума енергій її зв'язків, що мають постійні значення в таких рядах.

Адитивність енергії молекули виконується не завжди. Прикладом порушення адитивності є пласкі молекули органічних сполук з так званими спряженими зв'язками, тобто з кратними зв'язками, які чергуються з одиничними. В таких випадках валентні електрони, які визначають кратність зв'язків, так звані p-електрони, стають спільними для всієї системи спряжених зв'язків, делокалізованими. Така делокалізація електронів призводить до стабілізації молекули. Вирівнювання електронної густини внаслідок колективізації p-електронів у зв'язках виражається в укороченні подвійних зв'язків та видовженні одинарних. В правильному шестикутнику міжвуглецевих зв'язків бензолу всі зв'язки однакові і мають довжину, середню між довжиною одинарного і подвійного зв'язку. Спряження зв'язків яскраво проявляється в молекулярних спектрах.

Сучасна квантово-механічна теорія хімічних зв'язків враховує часткову делокалізацію не тільки p-, але й s-електронів, яка спостерігається в будь-яких молекулах.

У переважній більшості випадків сумарний спін валентних електронів в молекулі дорівнює нулю, тобто спіни електронів попарно насичені. Молекули, які містять неспарені електрони - вільні радикали (наприклад, атомний водень Н·, метил ·CH3), зазвичай нестійкі, оскільки при їх сполученні один з одним відбувається значне зниження енергії внаслідок утворення ковалентних зв'язків.

Міжмолекулярна взаємодія[ред.ред. код]

Міжмолекулярна взаємодія — взаємодія між електрично нейтральними молекулами у просторі. У залежності від полярності молекул характер міжмолекулярної взаємодії різний. Розрізняють орієнтаційний, індукційний та дисперсійний типи міжмолекулярної взаємодії. Природа останнього залишалася неясною до створення квантової механіки.

Орієнтаційний тип міжмолекулярної взаємодії виникає між двома полярними молекулами, тобто, такими, які мають власний дипольний момент. Взаємодія дипольних моментів і визначає результуючу силу — притягання або відштовхування. У випадку, якщо дипольні моменти молекул розміщуються на одній лінії, взаємодія молекул буде найінтенсивніша.

Індукційний тип міжмолекулярної взаємодії виникає між однією полярною та однією неполярною молекулами. При цьому типові взаємодії полярна молекула поляризує неполярну молекулу так, що заряд неполярної молекули, протилежний діючому на неї заряду полярної молекули, зміщується до останнього: загалом, позитивний заряд зміщується по напряму електричного поля, яке створює полярна молекула, а негативний — проти. Це обумовлює поляризацію неполярної молекули, тобто, явища зміщення зв'язаної електронної оболонки відносно центру позитивного заряду.

Дисперсійний тип міжмолекулярної взаємодії виникає між двома неполярними молекулами. Загалом, дипольні моменти неполярних молекул дорівнюють нулю, проте у певний момент часу є ймовірність розподілення електронів по всьому об'єму молекули нерівномірна. Внаслідок цього виникає миттєвий дипольний момент. Миттєвий диполь або поляризує сусідні неполярні молекули, або взаємодіє з миттєвим диполем іншої нейтральної молекули.

Див. також: електричні сили взаємодії

Електричні і оптичні властивості молекул[ред.ред. код]

Поведінка речовини в електричному полі визначається основними електричними характеристиками молекул - постійним дипольним моментом та поляризовністю.

Дипольний момент означає незбігання «центрів ваги» позитивних та негативних зарядів у молекулі (електричну асиметрію молекули). Тобто молекули, які мають центр симетрії, наприклад H2, позбавлені постійного дипольного моменту, і навпаки.

Поляризовність — це здатність електронної оболонки будь-якої молекули зміщуватись під дією електричного поля, в результаті чого в молекулі утворюється наведений дипольний момент. Значення дипольного моменту і поляризовності знаходять експериментально за допомогою вимірювання діелектричної проникності.

Оптичні властивості речовини характеризують її поведінку в змінному електричному полі світлової хвилі і визначаються поляризовністю молекули цієї речовини. З поляризовністю безпосередньо пов'язані заломлення і розсіювання світла, оптична активність та інші явища, що вивчаються молекулярною оптикою.

Магнітні властивості молекул[ред.ред. код]

Молекули і макромолекули переважної більшості хімічних сполук є діамагнітними. Магнітна сприйнятливість молекул (χ) для окремих органічних сполук може бути виражена як сума значень χ для окремих зв'язків.

Молекули, які мають постійний магнітний момент, є парамагнітними. До таких належать молекули з непарною кількістю електронів на зовнішній оболонці, (наприклад, NO та будь-які вільні радикали), молекули, які містять атоми з незамкненими (незаповненими) внутрішніми оболонками (перехідні метали тощо). Магнітна сприйнятливість парамагнітних речовин залежить від температури, оскільки тепловий рух перешкоджає орієнтації магнітних моментів в магнітному полі.

Спектри і будова молекул[ред.ред. код]

Електричні, оптичні, магнітні та інші властивості молекул пов'язані з хвильовими функціями і енергіями різних станів молекул. Інформацію про стани молекул і ймовірності переходу між ними дають молекулярні спектри.

Частоти коливань в спектрах визначаються масами атомів, їх розташуванням та динамікою міжатомних взаємодій. Частоти в спектрах залежать від моментів інерції молекул, визначення яких зі спектроскопічних даних дозволяє отримати найточніші значення міжатомних відстаней в молекулі. Загальне число ліній і полос в коливальному спектрі молекули залежить від її симетрії.

Електронні переходи в молекулах характеризують структуру їх електронних оболонок та стан хімічних зв'язків. Спектри молекул, які мають більшу кількість сполучених зв'язків, характеризуються довгохвильовими смугами поглинання, що потрапляють в видиму область. Речовини, побудовані з таких молекул, характеризуються барвистістю; до таких речовин відносяться всі органічні барвники.

Швидкість молекул[ред.ред. код]

середня квадратична  \sqrt {{3 k T} \over m_0}
найбільш ймовірна  \sqrt {{2 k T} \over m_0}
середня арифметична  \sqrt {{8 k T} \over \pi m_0}
k - стала Больцмана, T — абсолютна температура

Молекули в хімії, фізиці та біології[ред.ред. код]

Поняття молекули є основним для хімії, і більшою частиною відомостей про будову і функціональність молекул наука зобов'язана хімічним дослідженням. Хімія визначає будову молекул на основі хімічних реакцій і, навпаки, на основі будови молекули визначає, яким буде хід реакцій.

Будовою і властивостями молекули визначаються фізичні явища, які вивчаються молекулярною фізикою. В фізиці поняття молекули використовується для пояснення властивостей газів, рідин і твердих тіл. Рухомістю молекул визначається здатність речовини до дифузії, її в'язкість, теполопровідність тощо. Перший прямий експериментальний доказ існування молекул було отримано французьским фізиком Ж. Перреном в 1906 році під час вивчення броунівського руху.

Оскільки всі живі організми існують на основі тонко збалансованої хімічної і нехімічної взаємодії між молекулами, вивчення будови і властивостей молекул має фундаментальне значення для біології і природознавства в цілому.

Розвиток біології, хімії та молекулярної фізики призвели до виникнення молекулярної біології, яка досліджує основні явища життя, виходячи з будови і властивостей біологічно функціональних молекул.

Похідні терміни[ред.ред. код]

Молекулярний (рос. молекулярный, англ. molecular, нім. molekular) — той, що стосується молекули;

Приклади:

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]