Alle Körper, die uns umgeben, bestehen aus Atomen. Atome wiederum fügen sich zu einem Molekül zusammen. Aufgrund des Unterschieds in der Molekülstruktur kann man aufgrund ihrer Eigenschaften und Parameter von Substanzen sprechen, die sich voneinander unterscheiden. Moleküle und Atome befinden sich immer in einem dynamischen Zustand. In Bewegung streuen sie dennoch nicht in verschiedene Richtungen, sondern werden in einer bestimmten Struktur geh alten, die wir der Existenz einer so großen Vielf alt von Substanzen in der ganzen Welt um uns herum verdanken. Was sind diese Partikel und welche Eigenschaften haben sie?
Allgemeine Konzepte
Wenn wir von der Theorie der Quantenmechanik ausgehen, dann besteht das Molekül nicht aus Atomen, sondern aus deren Kernen und Elektronen, die ständig miteinander wechselwirken.
Bei manchen Substanzen ist ein Molekül das kleinste Teilchen, das die Zusammensetzung und die chemischen Eigenschaften der Substanz selbst hat. Die Eigenschaften von Molekülen aus chemischer Sicht werden also durch ihre chemische Struktur und bestimmtKomposition. Aber nur für Stoffe mit molekularer Struktur gilt die Regel: Die chemischen Eigenschaften von Stoffen und Molekülen sind gleich. Bei einigen Polymeren wie Ethylen und Polyethylen stimmt die Zusammensetzung nicht mit der molekularen Zusammensetzung überein.
Es ist bekannt, dass die Eigenschaften von Molekülen nicht nur durch die Anzahl der Atome und ihre Art bestimmt werden, sondern auch durch die Konfiguration, die Reihenfolge der Verbindungen. Ein Molekül ist eine komplexe architektonische Struktur, in der jedes Element an seinem Platz steht und seine spezifischen Nachbarn hat. Die atomare Struktur kann mehr oder weniger starr sein. Jedes Atom schwingt um seine Gleichgewichtslage.
Konfiguration und Parameter
Es kommt vor, dass sich einige Teile des Moleküls relativ zu anderen Teilen drehen. So nimmt ein freies Molekül im Prozess der thermischen Bewegung bizarre Formen (Konfigurationen) an.
Grundsätzlich werden die Eigenschaften von Molekülen durch die Bindung (seine Art) zwischen Atomen und die Architektur des Moleküls selbst (Struktur, Form) bestimmt. Die allgemeine chemische Theorie betrachtet also zunächst chemische Bindungen und basiert auf den Eigenschaften von Atomen.
Mit einer starken Polarität sind die Eigenschaften von Molekülen mit zwei- oder dreikonstanten Korrelationen schwer zu beschreiben, was für unpolare Moleküle hervorragend ist. Daher wurde ein zusätzlicher Parameter mit einem Dipolmoment eingeführt. Diese Methode ist jedoch nicht immer erfolgreich, da polare Moleküle individuelle Eigenschaften haben. Es wurden auch Parameter vorgeschlagen, um Quanteneffekte zu berücksichtigen, die bei niedrigen Temperaturen wichtig sind.
Was wissen wir über das Molekül der häufigsten Substanz auf der Erde?
Von allen Substanzen auf unserem Planeten ist Wasser die häufigste. Es versorgt im wörtlichen Sinne alles, was auf der Erde existiert, mit Leben. Nur Viren können darauf verzichten, der Rest der lebenden Strukturen in ihrer Zusammensetzung hat zum größten Teil Wasser. Welche nur für ihn charakteristischen Eigenschaften des Wassermoleküls werden im Wirtschaftsleben des Menschen und der Tierwelt der Erde genutzt?
Schließlich ist dies eine wirklich einzigartige Substanz! Keine andere Substanz kann sich einer Reihe von Eigenschaften rühmen, die Wasser innewohnen.
Wasser ist das wichtigste Lösungsmittel in der Natur. Alle Reaktionen, die in lebenden Organismen auf die eine oder andere Weise auftreten, finden in der aquatischen Umwelt statt. Das heißt, Substanzen gehen in gelöstem Zustand Reaktionen ein.
Wasser hat eine ausgezeichnete Wärmekapazität, aber eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Dank dieser Eigenschaften können wir es als Wärmetransport nutzen. Dieses Prinzip ist im Kühlmechanismus einer großen Anzahl von Organismen enth alten. In der Kernenergieindustrie führten die Eigenschaften des Wassermoleküls zur Verwendung dieses Stoffes als Kühlmittel. Neben der Möglichkeit, ein reaktives Medium für andere Substanzen zu sein, kann Wasser selbst Reaktionen eingehen: Photolyse, Hydratation und andere.
Natürliches reines Wasser ist eine geruchlose, farb- und geschmacklose Flüssigkeit. Aber bei einer Schichtdicke von mehr als 2 Metern wird die Farbe bläulich.
Das gesamte Wassermolekül ist ein Dipol (zwei entgegengesetzte Pole). Es ist die Dipolstruktur inbestimmt hauptsächlich die ungewöhnlichen Eigenschaften dieser Substanz. Das Wassermolekül ist ein Diamagnet.
Metallisches Wasser hat eine weitere interessante Eigenschaft: Sein Molekül nimmt die Struktur des Goldenen Schnitts an, und die Struktur der Substanz erhält die Proportionen des Goldenen Schnitts. Viele der Eigenschaften des Wassermoleküls wurden durch Analyse der Absorption und Emission von Streifenspektren in der Gasphase ermittelt.
Wissenschaft und molekulare Eigenschaften
Alle Substanzen außer chemischen haben die physikalischen Eigenschaften der Moleküle, aus denen ihre Struktur besteht.
In der Physik wird das Konzept der Moleküle verwendet, um die Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen zu erklären. Die Diffusionsfähigkeit aller Stoffe, ihre Viskosität, Wärmeleitfähigkeit und andere Eigenschaften werden durch die Beweglichkeit von Molekülen bestimmt. Als der französische Physiker Jean Perrin die Brownsche Bewegung untersuchte, bewies er experimentell die Existenz von Molekülen. Alle lebenden Organismen existieren aufgrund einer fein ausbalancierten inneren Wechselwirkung in der Struktur. Alle chemischen und physikalischen Eigenschaften von Stoffen sind von grundlegender Bedeutung für die Naturwissenschaften. Die Entwicklung von Physik, Chemie, Biologie und Molekularphysik führte zu einer Wissenschaft wie der Molekularbiologie, die die grundlegenden Phänomene des Lebens untersucht.
Unter Verwendung der statistischen Thermodynamik bestimmen die physikalischen Eigenschaften von Molekülen, die durch Molekülspektroskopie bestimmt werden, in der physikalischen Chemie die thermodynamischen Eigenschaften von Substanzen, die zur Berechnung chemischer Gleichgewichte und der Geschwindigkeiten ihrer Bildung erforderlich sind.
Was ist der Unterschied zwischen den Eigenschaften von Atomen und Molekülen?
Zunächst einmal kommen Atome nicht im freien Zustand vor.
Moleküle haben reichere optische Spektren. Dies liegt an der geringeren Symmetrie des Systems und der Entstehung der Möglichkeit neuer Rotationen und Oszillationen der Kerne. Die Gesamtenergie eines Moleküls setzt sich aus drei Energien zusammen, die sich in der Größenordnung der Bestandteile unterscheiden:
- elektronische Hülle (optische oder ultraviolette Strahlung);
- Kernschwingungen (infraroter Teil des Spektrums);
- Rotation des Moleküls als Ganzes (Hochfrequenzbereich).
Atome emittieren charakteristische Linienspektren, während Moleküle gestreifte Spektren emittieren, die aus vielen eng beieinander liegenden Linien bestehen.
Spektralanalyse
Optische, elektrische, magnetische und andere Eigenschaften eines Moleküls werden auch durch den Zusammenhang mit den Wellenfunktionen bestimmt. Daten über die Zustände von Molekülen und den wahrscheinlichen Übergang zwischen ihnen zeigen Molekülspektren.
Übergänge (elektronisch) in Molekülen zeigen chemische Bindungen und die Struktur ihrer Elektronenhüllen. Spektren mit mehr Verbindungen haben langwellige Absorptionsbanden, die in den sichtbaren Bereich fallen. Wenn ein Stoff aus solchen Molekülen aufgebaut ist, hat er eine charakteristische Farbe. Dies sind alles organische Farbstoffe.
Die Eigenschaften von Molekülen derselben Substanz sind in allen Aggregatzuständen gleich. Das bedeutet, dass sich bei gleichen Stoffen die Eigenschaften der Moleküle flüssiger, gasförmiger Stoffe nicht von den Eigenschaften des Festkörpers unterscheiden. Das Molekül eines Stoffes hat unabhängig davon immer die gleiche StrukturAggregatzustand der Materie selbst.
Elektrische Daten
Das Verh alten einer Substanz in einem elektrischen Feld wird durch die elektrischen Eigenschaften der Moleküle bestimmt: Polarisierbarkeit und permanentes Dipolmoment.
Dipolmoment ist die elektrische Asymmetrie eines Moleküls. Moleküle mit einem Symmetriezentrum wie H2 haben kein permanentes Dipolmoment. Die Fähigkeit der Elektronenhülle eines Moleküls, sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu bewegen, wodurch darin ein induziertes Dipolmoment entsteht, ist Polarisierbarkeit. Um den Wert der Polarisierbarkeit und des Dipolmoments zu ermitteln, muss die Permittivität gemessen werden.
Das Verh alten einer Lichtwelle in einem elektrischen Wechselfeld wird durch die optischen Eigenschaften eines Stoffes charakterisiert, die durch die Polarisierbarkeit eines Moleküls dieses Stoffes bestimmt werden. In direktem Zusammenhang mit der Polarisierbarkeit stehen: Streuung, Brechung, optische Aktivität und andere Phänomene der Molekularoptik.
Man hört oft die Frage: „Wovon hängen die Eigenschaften eines Stoffes außer von Molekülen ab?“Die Antwort ist ganz einfach.
Eigenschaften von Substanzen, mit Ausnahme von Isometrie und Kristallstruktur, werden durch die Umgebungstemperatur, die Substanz selbst, den Druck und das Vorhandensein von Verunreinigungen bestimmt.
Chemie der Moleküle
Vor der Entstehung der Wissenschaft der Quantenmechanik war die Natur chemischer Bindungen in Molekülen ein ungelöstes Rätsel. Die klassische Physik erklärt Direktionalität undSättigung von Valenzbindungen konnte nicht. Nach der Schaffung theoretischer Grundlagen über die chemische Bindung (1927) am Beispiel des einfachsten H2-Moleküls begann man, Theorie und Berechnungsmethoden schrittweise zu verbessern. Basierend auf der weit verbreiteten Anwendung der Methode der Molekülorbitale, der Quantenchemie, wurde es beispielsweise möglich, interatomare Abstände, die Energie von Molekülen und chemischen Bindungen, die Verteilung der Elektronendichte und andere Daten zu berechnen, die vollständig mit experimentellen Daten übereinstimmten.
Stoffe mit gleicher Zusammensetzung, aber unterschiedlicher chemischer Struktur und unterschiedlichen Eigenschaften nennt man Strukturisomere. Sie haben unterschiedliche Strukturformeln, aber die gleichen Summenformeln.
Es sind verschiedene Arten von Strukturisomerien bekannt. Die Unterschiede liegen in der Struktur des Kohlenstoffgerüsts, der Position der funktionellen Gruppe oder der Position der Mehrfachbindung. Daneben gibt es noch räumliche Isomere, bei denen die Eigenschaften eines Stoffmoleküls durch gleiche Zusammensetzung und chemische Struktur gekennzeichnet sind. Daher sind sowohl Struktur- als auch Molekularformeln gleich. Die Unterschiede liegen in der räumlichen Form des Moleküls. Spezielle Formeln werden verwendet, um verschiedene räumliche Isomere darzustellen.
Es gibt Verbindungen, die man Homologe nennt. Sie sind in Struktur und Eigenschaften ähnlich, unterscheiden sich aber in der Zusammensetzung durch eine oder mehrere CH2-Gruppen. Alle in Struktur und Eigenschaften ähnlichen Substanzen werden zu homologen Reihen zusammengefasst. Nachdem man die Eigenschaften eines Homologs studiert hat, kann man sich Gedanken über jedes andere machen. Die Menge der Homologen ist eine homologe Reihe.
Bei der Transformation der MateriestrukturenDie chemischen Eigenschaften von Molekülen ändern sich dramatisch. Selbst die einfachsten Verbindungen dienen als Beispiel: Methan wird, wenn es mit nur einem Sauerstoffatom kombiniert wird, zu einer giftigen Flüssigkeit namens Methanol (Methylalkohol - CH3OH). Dementsprechend werden seine chemische Komplementarität und seine Wirkung auf lebende Organismen unterschiedlich. Ähnliche, aber komplexere Veränderungen treten auf, wenn die Strukturen von Biomolekülen verändert werden.
Chemische molekulare Eigenschaften hängen stark von der Struktur und den Eigenschaften von Molekülen ab: von den darin enth altenen Energiebindungen und der Geometrie des Moleküls selbst. Dies gilt insbesondere für biologisch aktive Verbindungen. Welche Konkurrenzreaktion überwiegt, wird oft nur durch räumliche Faktoren bestimmt, die wiederum von den Ausgangsmolekülen (deren Konfiguration) abhängen. Ein Molekül mit einer "unbequemen" Konfiguration reagiert überhaupt nicht, während ein anderes mit der gleichen chemischen Zusammensetzung, aber einer anderen Geometrie sofort reagieren kann.
Eine Vielzahl von biologischen Prozessen, die während des Wachstums und der Vermehrung beobachtet werden, hängen mit den geometrischen Beziehungen zwischen den Reaktionsprodukten und den Ausgangsmaterialien zusammen. Zu Ihrer Information: Die Wirkung einer beträchtlichen Anzahl neuer Medikamente basiert auf einer ähnlichen molekularen Struktur einer Verbindung, die aus biologischer Sicht für den menschlichen Körper schädlich ist. Das Medikament nimmt den Platz des schädlichen Moleküls ein und erschwert das Handeln.
Mit Hilfe chemischer Formeln werden die Zusammensetzung und Eigenschaften der Moleküle verschiedener Substanzen ausgedrückt. Basierend auf dem Molekulargewicht, der chemischen Analyse wird das Atomverhältnis ermittelt und zusammengestelltSummenformel.
Geometrie
Die Bestimmung der geometrischen Struktur eines Moleküls erfolgt unter Berücksichtigung der Gleichgewichtsanordnung der Atomkerne. Die Wechselwirkungsenergie von Atomen hängt vom Abstand zwischen den Atomkernen ab. Bei sehr großen Entfernungen ist diese Energie Null. Wenn sich die Atome einander nähern, beginnt sich eine chemische Bindung zu bilden. Dann werden die Atome stark voneinander angezogen.
Bei einer schwachen Anziehung ist die Bildung einer chemischen Bindung nicht notwendig. Wenn sich die Atome nähern, beginnen elektrostatische Abstoßungskräfte zwischen den Kernen zu wirken. Ein Hindernis für eine starke Konvergenz von Atomen ist die Inkompatibilität ihrer inneren Elektronenhüllen.
Größen
Es ist unmöglich, Moleküle mit bloßem Auge zu sehen. Sie sind so klein, dass selbst ein Mikroskop mit 1000-facher Vergrößerung uns nicht hilft, sie zu sehen. Biologen beobachten Bakterien bis zu einer Größe von 0,001 mm. Aber Moleküle sind hundert- und tausendmal kleiner.
Heute wird die Struktur von Molekülen einer bestimmten Substanz durch Beugungsmethoden bestimmt: Neutronenbeugung, Röntgenbeugungsanalyse. Es gibt auch Schwingungsspektroskopie und die elektronenparamagnetische Methode. Die Wahl der Methode hängt von der Art der Substanz und ihrem Zustand ab.
Die Größe eines Moleküls ist ein bedingter Wert unter Berücksichtigung der Elektronenhülle. Der Punkt sind die Abstände von Elektronen von Atomkernen. Je größer sie sind, desto unwahrscheinlicher ist es, die Elektronen des Moleküls zu finden. In der Praxis kann die Größe der Moleküle unter Berücksichtigung des Gleichgewichtsabstands bestimmt werden. Dies ist das Intervall, in dem sich die Moleküle selbst annähern können, wenn sie in einem Molekülkristall und in einer Flüssigkeit dicht gepackt sind.
Große Entfernungen ziehen Moleküle an, kleine dagegen abstoßend. Daher hilft die Röntgenbeugungsanalyse von Molekülkristallen, die Abmessungen des Moleküls zu finden. Anhand des Diffusionskoeffizienten, der Wärmeleitfähigkeit und der Viskosität von Gasen sowie der Dichte eines Stoffes im kondensierten Zustand kann man die Größenordnung von Molekülgrößen bestimmen.
