Tous les corps qui nous entourent sont constitués d'atomes. Les atomes, à leur tour, s'assemblent en une molécule. C'est en raison de la différence de structure moléculaire que l'on peut parler de substances différentes les unes des autres, en fonction de leurs propriétés et de leurs paramètres. Les molécules et les atomes sont toujours dans un état dynamique. En mouvement, ils ne se dispersent toujours pas dans des directions différentes, mais sont maintenus dans une certaine structure, que nous devons à l'existence d'une si grande variété de substances dans le monde entier qui nous entoure. Quelles sont ces particules et quelles sont leurs propriétés ?
Concepts généraux
Si nous partons de la théorie de la mécanique quantique, alors la molécule n'est pas constituée d'atomes, mais de leurs noyaux et électrons, qui interagissent constamment les uns avec les autres.
Pour certaines substances, une molécule est la plus petite particule ayant la composition et les propriétés chimiques de la substance elle-même. Ainsi, les propriétés des molécules du point de vue de la chimie sont déterminées par sa structure chimique etcomposition. Mais uniquement pour les substances à structure moléculaire, la règle fonctionne: les propriétés chimiques des substances et des molécules sont les mêmes. Pour certains polymères, tels que l'éthylène et le polyéthylène, la composition ne correspond pas à la composition moléculaire.
On sait que les propriétés des molécules sont déterminées non seulement par le nombre d'atomes, leur type, mais aussi par la configuration, l'ordre de connexion. Une molécule est une structure architecturale complexe, où chaque élément se tient à sa place et a ses voisins spécifiques. La structure atomique peut être plus ou moins rigide. Chaque atome vibre autour de sa position d'équilibre.
Configuration et paramètres
Il arrive que certaines parties de la molécule tournent par rapport à d'autres parties. Ainsi, dans le processus de mouvement thermique, une molécule libre prend des formes bizarres (configurations).
Fondamentalement, les propriétés des molécules sont déterminées par la liaison (son type) entre les atomes et l'architecture de la molécule elle-même (structure, forme). Ainsi, tout d'abord, la théorie chimique générale considère les liaisons chimiques et se base sur les propriétés des atomes.
Avec une forte polarité, les propriétés des molécules sont difficiles à décrire avec des corrélations à deux ou trois constantes, excellentes pour les molécules non polaires. Par conséquent, un paramètre supplémentaire avec un moment dipolaire a été introduit. Mais cette méthode ne réussit pas toujours, car les molécules polaires ont des caractéristiques individuelles. Des paramètres ont également été proposés pour tenir compte des effets quantiques, qui sont importants à basse température.
Que savons-nous de la molécule de la substance la plus courante sur Terre ?
De toutes les substances présentes sur notre planète, la plus courante est l'eau. Au sens littéral, il fournit la vie à tout ce qui existe sur Terre. Seuls les virus peuvent s'en passer, le reste des structures vivantes dans leur composition ont pour la plupart de l'eau. Quelles propriétés de la molécule d'eau, caractéristiques d'elle seule, sont utilisées dans la vie économique de l'homme et de la faune de la Terre ?
Après tout, c'est une substance vraiment unique ! Aucune autre substance ne peut se vanter d'un ensemble de propriétés inhérentes à l'eau.
L'eau est le principal solvant de la nature. Toutes les réactions se produisant dans les organismes vivants, d'une manière ou d'une autre, se produisent dans le milieu aquatique. Autrement dit, les substances entrent en réaction lorsqu'elles sont à l'état dissous.
L'eau a une excellente capacité calorifique, mais une faible conductivité thermique. Grâce à ces propriétés, on peut l'utiliser comme caloporteur. Ce principe est inclus dans le mécanisme de refroidissement d'un grand nombre d'organismes. Dans l'industrie nucléaire, les propriétés de la molécule d'eau ont donné lieu à l'utilisation de cette substance comme fluide caloporteur. En plus de la possibilité d'être un milieu réactif pour d'autres substances, l'eau elle-même peut entrer dans des réactions: photolyse, hydratation et autres.
L'eau pure naturelle est un liquide inodore, incolore et insipide. Mais à une épaisseur de couche supérieure à 2 mètres, la couleur devient bleutée.
La molécule d'eau entière est un dipôle (deux pôles opposés). C'est la structure dipolaire dansdétermine principalement les propriétés inhabituelles de cette substance. La molécule d'eau est un diamagnet.
L'eau métallique a une autre propriété intéressante: sa molécule acquiert la structure du nombre d'or, et la structure de la substance acquiert les proportions de la section dorée. De nombreuses propriétés de la molécule d'eau ont été établies en analysant l'absorption et l'émission de spectres rayés en phase gazeuse.
Science et propriétés moléculaires
Toutes les substances, à l'exception des substances chimiques, ont les propriétés physiques des molécules qui composent leur structure.
En sciences physiques, le concept de molécules est utilisé pour expliquer les propriétés des solides, des liquides et des gaz. La capacité de toutes les substances à diffuser, leur viscosité, leur conductivité thermique et d'autres propriétés sont déterminées par la mobilité des molécules. Lorsque le physicien français Jean Perrin étudiait le mouvement brownien, il prouva expérimentalement l'existence de molécules. Tous les organismes vivants existent grâce à une interaction interne finement équilibrée dans la structure. Toutes les propriétés chimiques et physiques des substances sont d'une importance fondamentale pour les sciences naturelles. Le développement de la physique, de la chimie, de la biologie et de la physique moléculaire a donné naissance à une science comme la biologie moléculaire, qui étudie les phénomènes fondamentaux de la vie.
En utilisant la thermodynamique statistique, les propriétés physiques des molécules, qui sont déterminées par spectroscopie moléculaire, en chimie physique déterminent les propriétés thermodynamiques des substances nécessaires pour calculer les équilibres chimiques et les taux de son établissement.
Quelle est la différence entre les propriétés des atomes et des molécules ?
Tout d'abord, les atomes n'existent pas à l'état libre.
Les molécules ont des spectres optiques plus riches. Cela est dû à la symétrie inférieure du système et à l'émergence de la possibilité de nouvelles rotations et oscillations des noyaux. Pour une molécule, l'énergie totale se compose de trois énergies qui sont différentes dans l'ordre de grandeur des composants:
- coquille électronique (rayonnement optique ou ultraviolet);
- vibrations des noyaux (partie infrarouge du spectre);
- rotation de la molécule dans son ensemble (gamme de fréquences radio).
Les atomes émettent des spectres de lignes caractéristiques, tandis que les molécules émettent des spectres rayés constitués de nombreuses lignes rapprochées.
Analyse spectrale
Les propriétés optiques, électriques, magnétiques et autres d'une molécule sont également déterminées par la connexion avec les fonctions d'onde. Les données sur les états des molécules et la transition probable entre elles montrent des spectres moléculaires.
Les transitions (électroniques) dans les molécules montrent les liaisons chimiques et la structure de leurs couches d'électrons. Les spectres avec plus de connexions ont des bandes d'absorption à grande longueur d'onde qui tombent dans la région visible. Si une substance est construite à partir de telles molécules, elle a une couleur caractéristique. Ce sont tous des colorants organiques.
Les propriétés des molécules d'une même substance sont les mêmes dans tous les états d'agrégation. Cela signifie que dans les mêmes substances, les propriétés des molécules de substances liquides et gazeuses ne diffèrent pas des propriétés du solide. La molécule d'une substance a toujours la même structure, quelle que soitétat agrégé de la matière elle-même.
Données électriques
Le comportement d'une substance dans un champ électrique est déterminé par les caractéristiques électriques des molécules: polarisabilité et moment dipolaire permanent.
Le moment dipolaire est l'asymétrie électrique d'une molécule. Les molécules qui ont un centre de symétrie comme H2 n'ont pas de moment dipolaire permanent. La capacité de la couche d'électrons d'une molécule à se déplacer sous l'influence d'un champ électrique, à la suite de quoi un moment dipolaire induit s'y forme, est la polarisabilité. Pour trouver la valeur de la polarisabilité et du moment dipolaire, il est nécessaire de mesurer la permittivité.
Le comportement d'une onde lumineuse dans un champ électrique alternatif est caractérisé par les propriétés optiques d'une substance, qui sont déterminées par la polarisabilité d'une molécule de cette substance. Sont directement liés à la polarisabilité: la diffusion, la réfraction, l'activité optique et d'autres phénomènes d'optique moléculaire.
On peut souvent entendre la question: "De quoi, outre les molécules, dépendent les propriétés d'une substance ?" La réponse est assez simple.
Les propriétés des substances, à l'exception de l'isométrie et de la structure cristalline, sont déterminées par la température de l'environnement, la substance elle-même, la pression, la présence d'impuretés.
Chimie des molécules
Avant la formation de la science de la mécanique quantique, la nature des liaisons chimiques dans les molécules était un mystère non résolu. La physique classique explique la directionnalité etla saturation des liaisons de valence ne le pouvait pas. Après la création d'informations théoriques de base sur la liaison chimique (1927) en utilisant l'exemple de la molécule H2 la plus simple, la théorie et les méthodes de calcul ont commencé à être progressivement améliorées. Par exemple, sur la base de l'utilisation généralisée de la méthode des orbitales moléculaires, la chimie quantique, il est devenu possible de calculer les distances interatomiques, l'énergie des molécules et des liaisons chimiques, la distribution de la densité électronique et d'autres données qui coïncidaient complètement avec les données expérimentales.
Les substances ayant la même composition, mais une structure chimique différente et des propriétés différentes, sont appelées isomères structuraux. Ils ont des formules structurelles différentes, mais les mêmes formules moléculaires.
Différents types d'isomérie structurale sont connus. Les différences résident dans la structure du squelette carboné, la position du groupe fonctionnel ou la position de la liaison multiple. De plus, il existe encore des isomères spatiaux dans lesquels les propriétés d'une molécule de substance sont caractérisées par la même composition et la même structure chimique. Par conséquent, les formules structurelles et moléculaires sont les mêmes. Les différences résident dans la forme spatiale de la molécule. Des formules spéciales sont utilisées pour représenter différents isomères spatiaux.
Il existe des composés appelés homologues. Ils sont similaires dans leur structure et leurs propriétés, mais diffèrent dans leur composition par un ou plusieurs groupes CH2. Toutes les substances de structure et de propriétés similaires sont combinées en séries homologues. Après avoir étudié les propriétés d'un homologue, on peut raisonner sur n'importe lequel d'entre eux. L'ensemble des homologues est une série homologue.
Lors de la transformation des structures de la matièreles propriétés chimiques des molécules changent radicalement. Même les composés les plus simples servent d'exemple: le méthane, lorsqu'il est combiné avec un seul atome d'oxygène, devient un liquide toxique appelé méthanol (alcool méthylique - CH3OH). En conséquence, sa complémentarité chimique et son effet sur les organismes vivants deviennent différents. Des changements similaires mais plus complexes se produisent lors de la modification des structures des biomolécules.
Les propriétés moléculaires chimiques dépendent fortement de la structure et des propriétés des molécules: des liaisons énergétiques qu'elles contiennent et de la géométrie de la molécule elle-même. Cela est particulièrement vrai pour les composés biologiquement actifs. La réaction concurrente qui sera prédominante est souvent déterminée uniquement par des facteurs spatiaux, qui à leur tour dépendent des molécules initiales (leur configuration). Une molécule avec une configuration "inconfortable" ne réagira pas du tout, tandis qu'une autre avec la même composition chimique mais une géométrie différente peut réagir instantanément.
Un grand nombre de processus biologiques observés au cours de la croissance et de la reproduction sont associés aux relations géométriques entre les produits de réaction et les matières premières. Pour votre information: l'action d'un nombre considérable de nouveaux médicaments repose sur une structure moléculaire similaire d'un composé nocif d'un point de vue biologique pour le corps humain. Le médicament se substitue à la molécule nocive et la rend difficile à agir.
À l'aide de formules chimiques, la composition et les propriétés des molécules de différentes substances sont exprimées. Sur la base du poids moléculaire, de l'analyse chimique, le rapport atomique est établi et compiléformule empirique.
Géométrie
La détermination de la structure géométrique d'une molécule est faite en tenant compte de la disposition d'équilibre des noyaux atomiques. L'énergie d'interaction des atomes dépend de la distance entre les noyaux des atomes. A de très grandes distances, cette énergie est nulle. Au fur et à mesure que les atomes se rapprochent, une liaison chimique commence à se former. Ensuite, les atomes sont fortement attirés les uns vers les autres.
S'il y a une faible attraction, la formation d'une liaison chimique n'est pas nécessaire. Si les atomes commencent à se rapprocher à des distances plus proches, des forces électrostatiques répulsives commencent à agir entre les noyaux. Un obstacle à une forte convergence des atomes est l'incompatibilité de leurs couches électroniques internes.
Tailles
Il est impossible de voir les molécules à l'œil nu. Ils sont si petits que même un microscope avec un grossissement de 1000x ne nous aidera pas à les voir. Les biologistes observent des bactéries aussi petites que 0,001 mm. Mais les molécules sont des centaines et des milliers de fois plus petites.
Aujourd'hui, la structure des molécules d'une certaine substance est déterminée par des méthodes de diffraction: diffraction des neutrons, analyse par diffraction des rayons X. Il existe également la spectroscopie vibrationnelle et la méthode paramagnétique électronique. Le choix de la méthode dépend du type de substance et de son état.
La taille d'une molécule est une valeur conditionnelle, prenant en compte la couche électronique. Le point est la distance des électrons aux noyaux atomiques. Plus ils sont grands, moins il est probable de trouver les électrons de la molécule. En pratique, la taille des molécules peut être déterminée en tenant compte de la distance d'équilibre. Il s'agit de l'intervalle pendant lequel les molécules elles-mêmes peuvent se rapprocher lorsqu'elles sont denses dans un cristal moléculaire et dans un liquide.
Les grandes distances ont des molécules à attirer, et les petites, au contraire, à les répulser. Par conséquent, l'analyse par diffraction des rayons X des cristaux moléculaires aide à trouver les dimensions de la molécule. En utilisant le coefficient de diffusion, la conductivité thermique et la viscosité des gaz, ainsi que la densité d'une substance à l'état condensé, on peut déterminer l'ordre de grandeur des tailles moléculaires.
