Todos los cuerpos que nos rodean están formados por átomos. Los átomos, a su vez, se ensamblan en una molécula. Debido a la diferencia en la estructura molecular, se puede hablar de sustancias que son diferentes entre sí, en función de sus propiedades y parámetros. Las moléculas y los átomos están siempre en un estado de dinámica. Al moverse, todavía no se dispersan en diferentes direcciones, sino que se mantienen en una cierta estructura, que debemos a la existencia de una variedad tan grande de sustancias en todo el mundo que nos rodea. ¿Qué son estas partículas y cuáles son sus propiedades?
Conceptos generales
Si partimos de la teoría de la mecánica cuántica, entonces la molécula no consiste en átomos, sino en sus núcleos y electrones, que interactúan constantemente entre sí.
Para algunas sustancias, una molécula es la partícula más pequeña que tiene la composición y las propiedades químicas de la sustancia misma. Entonces, las propiedades de las moléculas desde el punto de vista de la química están determinadas por su estructura química ycomposición. Pero solo para sustancias con estructura molecular, la regla funciona: las propiedades químicas de sustancias y moléculas son las mismas. Para algunos polímeros, como el etileno y el polietileno, la composición no coincide con la composición molecular.
Se sabe que las propiedades de las moléculas están determinadas no solo por el número de átomos, su tipo, sino también por la configuración, el orden de conexión. Una molécula es una estructura arquitectónica compleja, donde cada elemento ocupa su lugar y tiene sus vecinos específicos. La estructura atómica puede ser más o menos rígida. Cada átomo vibra alrededor de su posición de equilibrio.
Configuración y parámetros
Sucede que algunas partes de la molécula giran en relación con otras partes. Entonces, en el proceso de movimiento térmico, una molécula libre toma formas extrañas (configuraciones).
Básicamente, las propiedades de las moléculas están determinadas por el enlace (su tipo) entre los átomos y la arquitectura de la molécula en sí (estructura, forma). Así, en primer lugar, la teoría química general considera los enlaces químicos y se basa en las propiedades de los átomos.
Con una fuerte polaridad, las propiedades de las moléculas son difíciles de describir con correlaciones de dos o tres constantes, que son excelentes para moléculas no polares. Por lo tanto, se introdujo un parámetro adicional con un momento dipolar. Pero este método no siempre tiene éxito, ya que las moléculas polares tienen características individuales. También se han propuesto parámetros para tener en cuenta los efectos cuánticos, que son importantes a bajas temperaturas.
¿Qué sabemos sobre la molécula de la sustancia más común en la Tierra?
De todas las sustancias de nuestro planeta, la más común es el agua. En sentido literal, proporciona vida a todo lo que existe en la Tierra. Solo los virus pueden prescindir de él, el resto de las estructuras vivas en su composición en su mayor parte tienen agua. ¿Qué propiedades de la molécula de agua, características únicamente de ella, se utilizan en la vida económica del hombre y la vida silvestre de la Tierra?
¡Después de todo, esta es una sustancia realmente única! Ninguna otra sustancia puede presumir de un conjunto de propiedades inherentes al agua.
El agua es el principal disolvente de la naturaleza. Todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos, de una forma u otra, ocurren en el medio acuático. Es decir, las sustancias entran en reacciones mientras están en estado disuelto.
El agua tiene una excelente capacidad calorífica, pero baja conductividad térmica. Gracias a estas propiedades, podemos utilizarlo como transportador de calor. Este principio está incluido en el mecanismo de enfriamiento de un gran número de organismos. En la industria de la energía nuclear, las propiedades de la molécula de agua dieron lugar al uso de esta sustancia como refrigerante. Además de la posibilidad de ser medio reactivo de otras sustancias, el agua misma puede entrar en reacciones: fotólisis, hidratación y otras.
El agua pura natural es un líquido inodoro, incoloro e insípido. Pero con un espesor de capa superior a 2 metros, el color se vuelve azulado.
Toda la molécula de agua es un dipolo (dos polos opuestos). Es la estructura dipolar endetermina principalmente las propiedades inusuales de esta sustancia. La molécula de agua es un diaimán.
El agua metálica tiene otra propiedad interesante: su molécula adquiere la estructura de la proporción áurea, y la estructura de la sustancia adquiere las proporciones de la sección áurea. Muchas de las propiedades de la molécula de agua se han establecido analizando la absorción y emisión de espectros rayados en la fase gaseosa.
Ciencia y propiedades moleculares
Todas las sustancias, excepto las químicas, tienen las propiedades físicas de las moléculas que forman su estructura.
En la ciencia física, el concepto de moléculas se utiliza para explicar las propiedades de los sólidos, líquidos y gases. La capacidad de difusión de todas las sustancias, su viscosidad, conductividad térmica y otras propiedades están determinadas por la movilidad de las moléculas. Cuando el físico francés Jean Perrin estaba estudiando el movimiento browniano, demostró experimentalmente la existencia de moléculas. Todos los organismos vivos existen debido a una 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 dio lugar a una ciencia como la biología molecular, que estudia los fenómenos básicos de la vida.
Usando la termodinámica estadística, las propiedades físicas de las moléculas, que se determinan mediante espectroscopia molecular, en química física determinan las propiedades termodinámicas de las sustancias necesarias para calcular el equilibrio químico 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 estado libre.
Las moléculas tienen espectros ópticos más ricos. Esto se debe a la menor simetría del sistema y al surgimiento de la posibilidad de nuevas rotaciones y oscilaciones de los núcleos. Para una molécula, la energía total consta de tres energías que son diferentes en orden de magnitud de los componentes:
- carcasa electrónica (radiación óptica o ultravioleta);
- vibraciones de núcleos (parte infrarroja del espectro);
- rotación de la molécula como un todo (rango de radiofrecuencia).
Los átomos emiten espectros de líneas característicos, mientras que las moléculas emiten espectros de rayas que consisten en muchas líneas estrechamente espaciadas.
Análisis espectral
Las propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y otras de una 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 ellas muestran espectros moleculares.
Las transiciones (electrónicas) en las moléculas muestran los enlaces químicos y la estructura de sus capas de electrones. Los espectros con más conexiones 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. Todos estos son tintes orgánicos.
Las propiedades de las moléculas de una misma sustancia son las mismas en todos los estados de agregación. Esto significa que en las mismas sustancias, las propiedades de las moléculas de las sustancias líquidas y gaseosas no difieren de las propiedades del sólido. La molécula de una sustancia siempre tiene la misma estructura, independientemente deestado agregado de la materia misma.
Datos eléctricos
La forma en que una sustancia se comporta en un campo eléctrico está determinada por las características eléctricas de las moléculas: polarizabilidad y momento dipolar permanente.
El momento dipolar es la asimetría eléctrica de una molécula. Las moléculas que tienen un centro de simetría como H2 no tienen un momento dipolar permanente. 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 la polarizabilidad. Para encontrar el valor de la polarizabilidad y el momento dipolar, es necesario medir la permitividad.
El comportamiento de una onda de luz en un campo eléctrico alterno se caracteriza por las propiedades ópticas de una sustancia, que están determinadas por la polarizabilidad de una molécula de esta sustancia. Directamente relacionados con la polarizabilidad están: dispersión, refracción, actividad óptica y otros fenómenos de la óptica molecular.
A menudo se 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, excepto la isometría y la estructura cristalina, están determinadas por la temperatura del entorno, la sustancia misma, la presión y la presencia de impurezas.
Química de las moléculas
Antes de la formación de la ciencia de la mecánica cuántica, la naturaleza de los enlaces químicos en las moléculas era un misterio sin resolver. La física clásica explica la direccionalidad yla saturación de los enlaces de valencia no pudo. Después de la creación de información teórica básica sobre el enlace químico (1927) utilizando el ejemplo de la molécula H2 más simple, la teoría y los métodos de cálculo comenzaron a mejorarse gradualmente. Por ejemplo, con base en el uso generalizado del método de los orbitales moleculares, la química cuántica, fue posible calcular las distancias interatómicas, la energía de las moléculas y los enlaces químicos, la distribución de la densidad electrónica y otros datos que coincidían completamente con los datos experimentales.
Las sustancias que tienen 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 diferentes tipos de isomería estructural. Las diferencias radican en la estructura del esqueleto de carbono, la posición del grupo funcional o la posición del 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, tanto las fórmulas estructurales como las moleculares son las mismas. Las diferencias radican en la forma espacial de la molécula. Se utilizan fórmulas especiales para representar diferentes isómeros espaciales.
Hay compuestos que se llaman homólogos. Son similares en estructura y propiedades, pero difieren en composición por uno o más grupos CH2. Todas las sustancias similares en estructura y propiedades se combinan en series homólogas. Habiendo estudiado las propiedades de un homólogo, se puede razonar sobre cualquier otro. El conjunto de homólogos es una serie homóloga.
Al transformar las estructuras de la materialas propiedades químicas de las moléculas cambian drásticamente. Incluso los compuestos más simples sirven como ejemplo: el metano, cuando se combina con un solo átomo de oxígeno, se convierte en un líquido venenoso llamado metanol (alcohol metílico - CH3OH). En consecuencia, su complementariedad química y su efecto sobre los organismos vivos se vuelven diferentes. Cambios similares pero más complejos ocurren cuando se modifican las estructuras de las biomoléculas.
Las propiedades moleculares químicas dependen en gran medida de la estructura y las propiedades de las moléculas: de los enlaces de energía en ellas y de la geometría de la molécula misma. Esto es especialmente cierto en compuestos biológicamente activos. A menudo, qué reacción competidora será predominante solo está determinada por factores espaciales, que a su vez dependen de las moléculas iniciales (su configuración). Una molécula con una configuración "incómoda" no reaccionará en absoluto, mientras que otra con la misma composición química pero con una geometría diferente puede reaccionar instantáneamente.
Un gran número de procesos biológicos observados durante el crecimiento y la reproducción están asociados con las relaciones geométricas entre los productos de reacción y los materiales de partida. Para su información: la acción de un número considerable de nuevos medicamentos se basa en una estructura molecular similar de un compuesto que es dañino desde el punto de vista biológico para el cuerpo humano. La droga toma el lugar de la molécula dañina y dificulta su acción.
Con la ayuda de fórmulas químicas, se expresan la composición y propiedades de las moléculas de diferentes sustancias. Basado en el peso molecular, el análisis químico, la relación atómica se establece y compilafórmula empírica.
Geometría
La determinación de la estructura geométrica de una molécula se realiza teniendo en cuenta la disposición en 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. A medida que los átomos se acercan entre sí, comienza a formarse un enlace químico. Entonces los átomos se atraen fuertemente entre sí.
Si hay una atracción débil, entonces no es necesaria la formación de un enlace químico. Si los átomos comienzan a acercarse a distancias más cercanas, las fuerzas de repulsión electrostática comienzan a actuar entre los núcleos. Un obstáculo para una fuerte convergencia de átomos es la incompatibilidad de sus capas internas de electrones.
Tamaños
Es imposible ver las moléculas a simple vista. Son tan pequeños que ni siquiera un microscopio con un aumento de 1000x nos ayudará a verlos. Los biólogos observan bacterias tan pequeñas como 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 se determina mediante métodos de difracción: difracción de neutrones, análisis de difracción de rayos X. También existe la espectroscopia vibratoria y el método paramagnético de electrones. La elección del método depende del tipo de sustancia y de su estado.
El tamaño de una molécula es un valor condicional, teniendo en cuenta la capa de electrones. El punto son las distancias de los electrones a los núcleos atómicos. Cuanto más grandes son, menos probable es encontrar los electrones de la molécula. En la práctica, el tamaño de las moléculas se puede determinar teniendo en cuenta la distancia de equilibrio. Este es el intervalo durante el cual las moléculas mismas pueden acercarse entre sí cuando están densamente empaquetadas en un cristal molecular y en un líquido.
Las grandes distancias tienen moléculas para atraer, y las pequeñas, por el contrario, para repulsar. Por lo tanto, el análisis de difracción de rayos X de cristales moleculares ayuda a encontrar las dimensiones de la molécula. Utilizando 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.
