Todos os corpos que nos cercam são feitos de átomos. Os átomos, por sua vez, se agrupam em uma molécula. É devido à diferença na estrutura molecular que se pode falar de substâncias que são diferentes umas das outras, com base em suas propriedades e parâmetros. Moléculas e átomos estão sempre em um estado de dinâmica. Em movimento, eles ainda não se espalham em direções diferentes, mas são mantidos em uma certa estrutura, que devemos à existência de uma variedade tão grande de substâncias em todo o mundo ao nosso redor. O que são essas partículas e quais são suas propriedades?
Conceitos gerais
Se partirmos da teoria da mecânica quântica, então a molécula não consiste em átomos, mas seus núcleos e elétrons, que interagem constantemente entre si.
Para algumas substâncias, uma molécula é a menor partícula que possui a composição e as propriedades químicas da própria substância. Assim, as propriedades das moléculas do ponto de vista da química são determinadas por sua estrutura química ecomposição. Mas apenas para substâncias com estrutura molecular, a regra funciona: as propriedades químicas de substâncias e moléculas são as mesmas. Para alguns polímeros, como etileno e polietileno, a composição não corresponde à composição molecular.
Sabe-se que as propriedades das moléculas são determinadas não apenas pelo número de átomos, seu tipo, mas também pela configuração, a ordem de ligação. Uma molécula é uma estrutura arquitetônica complexa, onde cada elemento fica em seu lugar e tem seus vizinhos específicos. A estrutura atômica pode ser mais ou menos rígida. Cada átomo vibra em torno de sua posição de equilíbrio.
Configuração e parâmetros
Acontece que algumas partes da molécula giram em relação a outras partes. Assim, no processo de movimento térmico, uma molécula livre assume formas bizarras (configurações).
Basicamente, as propriedades das moléculas são determinadas pela ligação (seu tipo) entre os átomos e pela arquitetura da própria molécula (estrutura, forma). Assim, em primeiro lugar, a teoria química geral considera as ligações químicas e se baseia nas propriedades dos átomos.
Com uma forte polaridade, as propriedades das moléculas são difíceis de descrever com correlações de duas ou três constantes, que são excelentes para moléculas apolares. Portanto, um parâmetro adicional com um momento de dipolo foi introduzido. Mas esse método nem sempre é bem-sucedido, pois as moléculas polares têm características individuais. Parâmetros também foram propostos para explicar os efeitos quânticos, que são importantes em baixas temperaturas.
O que sabemos sobre a molécula da substância mais comum na Terra?
De todas as substâncias do nosso planeta, a mais comum é a água. Ela, no sentido literal, fornece vida para tudo o que existe na Terra. Apenas os vírus podem ficar sem ele, o restante das estruturas vivas em sua composição em sua maior parte tem água. Que propriedades da molécula de água, características apenas dela, são usadas na vida econômica do homem e da vida selvagem da Terra?
Afinal, esta é uma substância verdadeiramente única! Nenhuma outra substância pode se gabar de um conjunto de propriedades inerentes à água.
A água é o principal solvente da natureza. Todas as reações que ocorrem em organismos vivos, de uma forma ou de outra, ocorrem no ambiente aquático. Ou seja, as substâncias entram em reações enquanto estão dissolvidas.
A água tem excelente capacidade térmica, mas baixa condutividade térmica. Graças a essas propriedades, podemos usá-lo como transporte de calor. Este princípio está incluído no mecanismo de resfriamento de um grande número de organismos. Na indústria de energia nuclear, as propriedades da molécula de água deram origem ao uso dessa substância como refrigerante. Além da possibilidade de ser um meio reativo para outras substâncias, a própria água pode entrar em reações: fotólise, hidratação e outras.
A água pura natural é um líquido inodoro, incolor e insípido. Mas com uma espessura de camada superior a 2 metros, a cor fica azulada.
Toda a molécula de água é um dipolo (dois polos opostos). É a estrutura dipolar emdetermina principalmente as propriedades incomuns desta substância. A molécula de água é um diamagneto.
A água metálica tem outra propriedade interessante: sua molécula adquire a estrutura da proporção áurea, e a estrutura da substância adquire as proporções da seção áurea. Muitas das propriedades da molécula de água foram estabelecidas analisando a absorção e emissão de espectros listrados na fase gasosa.
Ciência e propriedades moleculares
Todas as substâncias, exceto as químicas, têm as propriedades físicas das moléculas que compõem sua estrutura.
Na ciência física, o conceito de moléculas é usado para explicar as propriedades de sólidos, líquidos e gases. A capacidade de todas as substâncias se difundirem, sua viscosidade, condutividade térmica e outras propriedades são determinadas pela mobilidade das moléculas. Quando o físico francês Jean Perrin estava estudando o movimento browniano, ele provou experimentalmente a existência de moléculas. Todos os organismos vivos existem devido a uma interação interna bem equilibrada na estrutura. Todas as propriedades químicas e físicas das substâncias são de fundamental importância para as ciências naturais. O desenvolvimento da física, química, biologia e física molecular deu origem a uma ciência como a biologia molecular, que estuda os fenômenos básicos da vida.
Usando termodinâmica estatística, as propriedades físicas das moléculas, que são determinadas por espectroscopia molecular, em físico-química determinam as propriedades termodinâmicas das substâncias necessárias para calcular o equilíbrio químico e as taxas de seu estabelecimento.
Qual é a diferença entre as propriedades de átomos e moléculas?
Em primeiro lugar, os átomos não ocorrem no estado livre.
Moléculas têm espectros ópticos mais ricos. Isso se deve à menor simetria do sistema e ao surgimento da possibilidade de novas rotações e oscilações dos núcleos. Para uma molécula, a energia total consiste em três energias que são diferentes em ordem de magnitude dos componentes:
- concha eletrônica (radiação óptica ou ultravioleta);
- vibrações de núcleos (parte infravermelha do espectro);
- rotação da molécula como um todo (faixa de radiofrequência).
Os átomos emitem espectros de linha característicos, enquanto as moléculas emitem espectros listrados que consistem em muitas linhas espaçadas.
Análise espectral
As propriedades ópticas, elétricas, magnéticas e outras de uma molécula também são determinadas pela conexão com as funções de onda. Dados sobre os estados das moléculas e a provável transição entre eles mostram espectros moleculares.
Transições (eletrônicas) em moléculas mostram ligações químicas e a estrutura de suas camadas eletrônicas. Espectros com mais conexões têm bandas de absorção de comprimento de onda longo que caem na região do visível. Se uma substância é construída a partir de tais moléculas, ela possui uma cor característica. Estes são todos corantes orgânicos.
As propriedades das moléculas de uma mesma substância são as mesmas em todos os estados de agregação. Isso significa que nas mesmas substâncias, as propriedades das moléculas de substâncias líquidas e gasosas não diferem das propriedades do sólido. A molécula de uma substância tem sempre a mesma estrutura, independentementeestado agregado da própria matéria.
Dados elétricos
A forma como uma substância se comporta em um campo elétrico é determinada pelas características elétricas das moléculas: polarizabilidade e momento de dipolo permanente.
Momento dipolar é a assimetria elétrica de uma molécula. Moléculas que têm um centro de simetria como H2 não têm um momento de dipolo permanente. A capacidade da camada eletrônica de uma molécula de se mover sob a influência de um campo elétrico, como resultado do qual um momento de dipolo induzido é formado nela, é a polarizabilidade. Para encontrar o valor da polarizabilidade e do momento dipolar, é necessário medir a permissividade.
O comportamento de uma onda de luz em um campo elétrico alternado é caracterizado pelas propriedades ópticas de uma substância, que são determinadas pela polarizabilidade de uma molécula dessa substância. Diretamente relacionados à polarizabilidade estão: espalhamento, refração, atividade óptica e outros fenômenos da óptica molecular.
Muitas vezes podemos ouvir a pergunta: “De que, além das moléculas, dependem as propriedades de uma substância?” A resposta é bem simples.
As propriedades das substâncias, exceto isometria e estrutura cristalina, são determinadas pela temperatura do ambiente, pela própria substância, pressão, presença de impurezas.
Química de moléculas
Antes da formação da ciência da mecânica quântica, a natureza das ligações químicas nas moléculas era um mistério não resolvido. A física clássica explica a direcionalidade esaturação de ligações de valência não poderia. Após a criação de informações teóricas básicas sobre a ligação química (1927) usando o exemplo da molécula H2 mais simples, a teoria e os métodos de cálculo começaram a ser gradualmente aprimorados. Por exemplo, com base no uso generalizado do método de orbitais moleculares, química quântica, tornou-se possível calcular distâncias interatômicas, a energia das moléculas e ligações químicas, a distribuição da densidade eletrônica e outros dados que coincidiam completamente com os dados experimentais.
Substâncias com a mesma composição, mas com estrutura química e propriedades diferentes, são chamadas de isômeros estruturais. Eles têm fórmulas estruturais diferentes, mas as mesmas fórmulas moleculares.
Diferentes tipos de isomerismo estrutural são conhecidos. As diferenças estão na estrutura do esqueleto de carbono, na posição do grupo funcional ou na posição da ligação múltipla. Além disso, ainda existem isômeros espaciais em que as propriedades de uma molécula de substância são caracterizadas pela mesma composição e estrutura química. Portanto, ambas as fórmulas estruturais e moleculares são as mesmas. As diferenças estão na forma espacial da molécula. Fórmulas especiais são usadas para representar diferentes isômeros espaciais.
Existem compostos que são chamados de homólogos. Eles são semelhantes em estrutura e propriedades, mas diferem na composição por um ou mais grupos CH2. Todas as substâncias semelhantes em estrutura e propriedades são combinadas em séries homólogas. Tendo estudado as propriedades de um homólogo, pode-se raciocinar sobre qualquer outro deles. O conjunto de homólogos é uma série homóloga.
Ao transformar as estruturas da matériaas propriedades químicas das moléculas mudam drasticamente. Mesmo os compostos mais simples servem de exemplo: o metano, quando combinado com um átomo de oxigênio, torna-se um líquido venenoso chamado metanol (álcool metílico - CH3OH). Assim, sua complementaridade química e efeito sobre os organismos vivos tornam-se diferentes. Mudanças semelhantes, mas mais complexas, ocorrem ao modificar as estruturas das biomoléculas.
As propriedades moleculares químicas dependem fortemente da estrutura e propriedades das moléculas: das ligações energéticas nela contidas e da geometria da própria molécula. Isto é especialmente verdadeiro em compostos biologicamente ativos. Qual reação competitiva será predominante é muitas vezes determinada apenas por fatores espaciais, que por sua vez dependem das moléculas iniciais (sua configuração). Uma molécula com uma configuração "desconfortável" não reagirá de forma alguma, enquanto outra com a mesma composição química, mas uma geometria diferente, pode reagir instantaneamente.
Um grande número de processos biológicos observados durante o crescimento e a reprodução estão associados às relações geométricas entre os produtos da reação e os materiais de partida. Para sua informação: a ação de um número considerável de novos medicamentos é baseada em uma estrutura molecular semelhante de um composto que é prejudicial do ponto de vista biológico para o corpo humano. A droga substitui a molécula nociva e dificulta a ação.
Com a ajuda de fórmulas químicas, a composição e as propriedades das moléculas de diferentes substâncias são expressas. Com base no peso molecular, análise química, a proporção atômica é estabelecida e compiladafórmula empírica.
Geometria
A determinação da estrutura geométrica de uma molécula é feita levando em consideração o arranjo de equilíbrio dos núcleos atômicos. A energia de interação dos átomos depende da distância entre os núcleos dos átomos. Em distâncias muito grandes, essa energia é zero. À medida que os átomos se aproximam, uma ligação química começa a se formar. Então os átomos são fortemente atraídos um pelo outro.
Se houver uma atração fraca, a formação de uma ligação química não é necessária. Se os átomos começam a se aproximar a distâncias mais próximas, forças repulsivas eletrostáticas começam a agir entre os núcleos. Um obstáculo para uma forte convergência de átomos é a incompatibilidade de suas camadas eletrônicas internas.
Tamanhos
É impossível ver moléculas a olho nu. Eles são tão pequenos que mesmo um microscópio com ampliação de 1000x não nos ajudará a vê-los. Os biólogos observam bactérias tão pequenas quanto 0,001 mm. Mas as moléculas são centenas e milhares de vezes menores.
Hoje, a estrutura das moléculas de uma determinada substância é determinada por métodos de difração: difração de nêutrons, análise de difração de raios X. Há também a espectroscopia vibracional e o método paramagnético de elétrons. A escolha do método depende do tipo de substância e sua condição.
O tamanho de uma molécula é um valor condicional, levando em consideração a camada eletrônica. O ponto são as distâncias dos elétrons dos núcleos atômicos. Quanto maiores eles são, menor a probabilidade de encontrar os elétrons da molécula. Na prática, o tamanho das moléculas pode ser determinado levando em consideração a distância de equilíbrio. Este é o intervalo para o qual as próprias moléculas podem se aproximar quando densamente empacotadas em um cristal molecular e em um líquido.
Grandes distâncias têm moléculas para atrair, e as pequenas, ao contrário, para repulsão. Portanto, a análise de difração de raios X de cristais moleculares ajuda a encontrar as dimensões da molécula. Usando o coeficiente de difusão, condutividade térmica e viscosidade dos gases, bem como a densidade de uma substância em estado condensado, pode-se determinar a ordem de grandeza dos tamanhos moleculares.
