Site Loader

Содержание

Химические свойства молекул определили с помощью машинного обучения

Графическое представление ошибок при вычислении электронной плотности в бензоле

Felix Brockherde et al / Nature Commenications

Разработанный международной группой ученых метод машинного обучения позволяет обойти прямое решение уравнений Кона-Шема и найти электронную плотность реальных молекул, живущих в трех измерениях. Работу метода исследователи проверили на молекулах бензола и этана, а также определили химические свойства молекулы малондиальдегида. Статья опубликована в журнале

Nature Communications.

В настоящее время теория функционала плотности Кона-Шема (Kohn-Sham DFT) активно применяется для численных расчетов во многих областях науки (особенно в материаловедении и химии). Обычно достаточная точность достигается с помощью обменных корреляционных приближений (XC approximations), например, обобщенных градиентных аппроксимаций. Такие расчеты играют ключевую роль для понимания химических свойств молекул и поиска новых соединений.

В принципе, основное энергетическое состояние молекулы можно найти, напрямую решив уравнения Кона-Шэма (Kohn-Sham equations), но обычно его рассчитывают в три этапа. Сначала выводят из функционала энергии Кона-Шэма уравнение Эйлера и решают его, чтобы найти электронную плотность. Затем рассчитывают энергию системы и минимизируют ее. В данной статье авторы предлагают пропустить первые два шага с помощью машинного обучения, которое позволит найти электронную плотность напрямую.

Работа программы, разработанной учеными, схематически можно представить как следующую цепочку действий. Для начала потенциал молекул приближается гауссовыми функциями. Затем модель тренируется с помощью метода регуляризации Тихонова (Kernel ridge regression),  предсказывает каждый базисный коэффициент плотности и находит собственно электронную плотность. Более подробно последовательность изображена на рисунке.

Схема работы метода

Felix Brockherde et al / Nature Commenications

Сначала исследователи проверили работу нового метода в одномерном случае. Для этого они рассмотрели около двухсот различных конфигураций трех гауссовых потенциалов (что может моделировать молекулу воды, например) и натренировали модель, точно решая уравнение Шредингера для одного электрона. Оказалось, что точность нового метода растет с числом точек тренировки, и погрешности расчетов в новой модели меньше, чем в предыдущих (в некоторых случаях до трех раз).

Потом ученые исследовали с помощью разработанного метода молекулы бензола, этана и малондиальдегида. Для этого они также натренировали модель на небольшом наборе точно рассчитанных данных и нашли с ее помощью основные энергетические состояния молекул. Во всех случаях погрешности метода составили менее одной килокалории на моль. Также с его помощью ученые установили, какой из изомеров малондиальдегида является более устойчивым.

Графики зависимости от времени погрешности вычисления энергии для бензола (сверху) и этана (снизу)

Felix Brockherde et al / Nature Commenications

Попытки применить идеи машинного обучения для расчета электронной плотности и основных энергетических состояний систем предпринимались и раньше, но все предыдущие работы не могли обеспечить достаточную точность в пространстве размерности больше одного. В данной статье ученым впервые удалось применить эти идеи для вычисления параметров реальных трехмерных молекул и их химических свойств.

Численные методы активно используются в различных областях науки. Например, недавно мы писали, как российские физики открыли новую форму алюминия с помощью теории функционала плотности. Или как ученые исследовали пластическую деформацию металлов при помощи молекулярной динамики.

Дмитрий Трунин

Новости / Служба новостей ТПУ

Ученые Томского политехнического университета и их коллеги из Германии предложили новый метод сравнения металлов, который помогает более качественно и точно, чем все существующие сегодня технологии, определить, какой из них лучше подходит для создания сенсоров, используемых в поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии. Этот вид спектроскопии применяется в самых различных областях — пищевой промышленности, медицине, материаловедении и криминалистике. Он помогает получить «паспорт» молекулы, который показывает ее химическую структуру. Результаты исследования опубликованы в журнале

Sensors and Actuators B: Chemical (IF 5,401; Q1).

Авторами исследования стали ученые из Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ, Технологического университета Хемница (Германия) и Штутгартского университета (Германия).

Отметим, спектроскопия — это раздел физики, изучающий спектры электромагнитного излучения. Рамановская спектроскопия — вид спектроскопии, который позволяет исследовать тот или иной материал на молекулярном уровне. Она применяется для молекулярного анализа лекарств, характеристики качеств материалов, контроля механических напряжений в полупроводниках. Также широко разрабатываются подходы для ее применения при проведении судебных экспертиз волокон и тканей, обнаружения загрязнителей в воде, анализа компонентов продуктов питания, выявления раковых заболеваний и проведения кардиологической диагностики сосудов сердца, а также для  многих других областей.

В основе метода рамановской спектроскопии лежит способность исследуемых систем (молекул) к неупругому (рамановскому, или комбинационному) рассеянию монохроматического света, что позволяет идентифицировать колебания молекул. Говоря простым языком, молекула освещается лазером, и ученые идентифицируют ее по рассеянному световому сигналу. Таким образом, она и получает свой уникальный «паспорт».

Сверхчувствительность метода обеспечивается специальными наноструктурированными металлическими подложками. И чем активнее они усиливают световой сигнал, исходящий от молекулы, тем качественнее производится ее идентификация.

Правильно подобранный металл имеет важное значение для эффективного усиления оптических сигналов. Метод ученых ТПУ и их коллег помогает наиболее точно определить, какой из металлов лучше всего способен справиться с этой задачей.

В своей научной статье ученые впервые, один к одному, сравнили на чувствительность к световому сигналу четыре металла — медь, алюминий, золото и серебро. Ранее такого сравнения, по словам авторов, никто не проводил.

«Проблема в сложной структуре металла и большом количестве параметров, которые необходимо учитывать при проведении такого сравнительного анализа. Нужно учитывать свойства металлической наноструктуры, с помощью которой проводится анализ, а также расположение и свойства молекул, которые мы детектируем. Во многих экспериментах сложно все эти параметры контролировать одновременно, — объясняет

Рауль Родригес, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ. — Сейчас для приблизительного сравнения подложек используют параметр, который называется коэффициентом усиления. Он показывает, насколько мы улучшили эффективность метода анализа. Для его расчета нужно точно контролировать, сколько молекул испытали на себе эффект усиления оптического сигнала. Говоря простым языком, стали светиться ярче. Для этого традиционно проводятся оценки количества молекул, которые невозможно проверить экспериментально».

Ведь испытывают этот эффект не все молекулы, а лишь те, что попадают в области усиления — определенные нанообласти на поверхности металла — их называют «горячими точками». Следовательно, нельзя точно сказать, какая именно часть молекул испытала на себе эффект усиления оптического сигнала. Из-за этого можно ошибиться в расчетах, и коэффициент усиления будет отличаться от реального в сто, а то и в тысячу раз.

«Мы максимально контролируем все параметры для разных металлов:  размер «горячих точек», количество молекул. Более того, молекулы осаждаются на поверхность «сухим» методом, что не позволяет им активно перемещаться по поверхности, — описывает технологию Рауль Родригес. — На подложки из кремния сверху наносится монослой наносфер из полистерола, поверх образованной наноструктуры осаждают металл. В результате получается волнистая металлическая поверхность. Затем на эту поверхность осаждаются те молекулы, которые нужно обнаружить. Причем, на подложке из любого металла они распределяются одинаково, попадая в том числе и в «горячие точки». Далее мы подсвечиваем молекулы с помощью лазера и измеряем исходящий от них рассеянный сигнал, который мы можем сравнивать напрямую, избегая любых ненадежных оценок».

Проведя этим методом сравнение меди, алюминия, золота и серебра, ученые выявили что медь и алюминий дают усиление, по меньшей мере сравнимое с золотом и серебром, считающимися самыми чувствительными металлами. Кроме того, чувствительность таких подложек даже выше, чем у более дорогих коммерческих.

«Аллюминий и медь сегодня достаточно широко используются в микроэлектронике как раз за счет высокой проводимости и низкой стоимости. Все технологии отработаны именно для этих металлов. Нам удалось показать, что и в области рамановской спектроскопии эти материалы перспективны, а значит, эту технологию можно существенно удешевить», — заключает Рауль Родригес.

Физики впервые измерили свойства короткоживущей радиоактивной молекулы — Наука

ТАСС, 27 мая. Физики из проекта ISOLDE впервые измерили свойства короткоживущей молекулы из фтора и радия, а также изучили ее структуру. Эти данные помогут ученым измерить «округлость» электрона. Описание работы опубликовал научный журнал Nature.

«Раньше у нас не было никаких данных о том, как устроены энергетические уровни в подобных молекулах. По сути, нам нужно было найти иголку в огромной темной комнате длиной и шириной в сотни метров. Теперь мы нашли эту иголку, благодаря чему можем узнать о ее свойствах и «поиграть» с ней», – прокомментировал результаты один из авторов исследования доцент Массачусетского технологического института Рональд Гарсия-Руис.

Ученым известны как стабильные элементы, которые не могут самопроизвольно распадаться, так и короткоживущие, жизнь которых измеряется долями наносекунды. Среди них есть как очень тяжелые элементы, такие как плутоний, так и относительно легкие вещества, такие как технеций.

Радиоактивные ядра интересны ученым не только из-за того, что их можно использовать на практике, но и потому, что благодаря им можно изучать внутреннюю структуру оболочек атомов и проверять различные постулаты Стандартной модели – теории, которая описывает большую часть взаимодействий всех известных сейчас науке элементарных частиц. 

Вдобавок, физики предполагают, что вещества, в составе которых есть нестабильные изотопы радиоактивных элементов, можно использовать для изучения явлений, которые связаны с нарушениями так называемой пространственной четности.

Большинство законов физики, как объясняют Гарсия-Руиз и его коллеги, основаны на предположении, что если зеркально отразить Вселенную, то она будет вести себя точно так же, как и та версия, которая нам известна. В середине прошлого века  американские физики доказали, что это правило не касается так называемых слабых взаимодействий, которые управляют взаимоотношениями субатомных частиц, электронов и нейтрино, а также различными внутренними процессами в атомах.

Ученые уже много десятилетий пытаются найти в различных вариантах нарушений пространственной четности следы «новой физики», однако пока это сделать не удается, так как измерить многие ее проявления довольно сложно. К примеру, Стандартная модель предсказывает, что электрон будет обладать не идеально круглой, а несколько искаженной формой. Однако подтвердить или опровергнуть это пока не удается из-за того, что это отклонение очень мало.

Фабрика радиоактивных молекул

Гарсия-Руиз и его коллеги, в том числе российские физики из Петербургского института ядерной физики в Гатчине, сделали первый большой шаг к разрешению этих загадок, научившись создавать большие количества нестабильных радиоактивных молекул и измерять их свойства.

Эти опыты ученые проводили на ускорительной установке ISOLDE, которую создали в 1964 году в CERN для того, чтобы создавать различные радиоактивные изотопы и не существующие в природе элементы, а также изучать их свойства. Воспользовавшись способностью этого ускорителя «сортировать» производимые изотопы, физики собрали множество разных изотопов радия, начиная с радия-223 и заканчивая радием-228.

Эти атомы ученые сталкивали с тетрафторметаном – соединением углерода и четырех атомов фтора. В результате образовывались ионизированные молекулы фторида радия (RaF), которые сразу же нейтрализовались парами натрия. Через это облако физики пропускали пучок лазерных лучей, который одновременно охлаждал эти молекулы, повторно ионизировал их и позволял исследователям изучать то, как устроены их электронные оболочки, меняя длину волн лазеров.

Благодаря этому ученые быстро и очень детально изучили внутреннюю структуру молекул RaF и выяснили, что у каждого изотопа радия, в том числе долгоживущего радия-226 и четырех его короткоживущих собратьев с периодом полураспада от нескольких дней до пяти лет, есть небольшие различия.

Успешное завершение этих опытов, как отмечают Гарсия-Руиз и его коллеги, открывает дорогу не только для более точных проверок «округлости» электрона, но и изучения свойств молекул, в которых есть еще более короткоживущие изотопы, которые распадаются за сотни или даже десятки миллисекунд.

С помощью подобные веществ, как надеются ученые, можно будет искать следы новой физики в нарушениях не только пространственной, но и временной четности. Для этого можно будет использовать сверхтяжелые атомы, форма которых очень далека от сферической.

Российские химики «поймали» молекулы хлора в твердые стабильные комплексы

Химическая промышленность не стоит на месте, и для проведения все более сложных процессов нужны новые, достаточно безопасные соединения, которые эффективно вступают в интересующие исследователя взаимодействия. Среди реакций органического синтеза процедура хлорирования имеет очень важное значение. Непосредственные продукты используются, например, в качестве хладагентов и растворителей. Они также служат основой производства самых разнообразных полимеров. В реакциях хлорирования фиксация хлора на поверхности подложек или включение его в твердые комплексы может позволить тратить этот газ более безопасно — в своем «обычном» состоянии он чрезвычайно ядовит.

Хлор, вместе с бромом, фтором и иодом, относятся к группе веществ, называемых галогенами. Новосибирские ученые из Института неорганической химии имени А. В. Николаева Сибирского отделения РАН обнаружили, что хлоридные комплексы теллура (IV) способны образовывать супрамолекулярные полимеры — подобные системы обладают специфическими свойствами. Так, внутри исследуемых соединений молекулы галогена оказываются «пойманными» в твердом состоянии. Это возможно благодаря взаимодействиям особого рода — галогенной связи.

Для получения таких соединений новосибирские химики пропускали газообразный хлор через раствор соли теллура в соляной кислоте. Им удалось выделить два комплекса с «пойманным» хлором, строение которых было определено методом рентгеноструктурного анализа. В первом веществе отрицательно заряженные анионы [TeCl6]2- и молекулы дихлора Cl2 образуют одномерные цепочки, во втором же — более сложную, трехмерную структуру.

Первый комплекс неустойчив и распадается на воздухе в течение нескольких минут, второй же может храниться неделями в сухом виде. Исследователи показали, что это соединение проявляет аномальную термическую стабильность и не распадается даже при температурах более 100 ˚C.

«Наша работа носит фундаментальный характер, но мы полагаем, что гибридные полихлорид-хлорометаллаты можно использовать как удобные твердые хлорирующие реагенты для органического и неорганического синтеза. Мы пока не можем сказать, будет ли процесс идти быстрее, но здесь есть другие преимущества: это твердое, достаточно стабильное соединение, которое можно хранить безопаснее, чем баллон с хлором, и его проще дозировать», — заметил Сергей Адонин, руководитель проекта, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории химии кластерных и супрамолекулярных соединений Института неорганической химии имени А. В. Николаева Сибирского отделения РАН.


Электрические свойства молекул и межмолекулярные связи

Общие сведения

В органических и неорганических веществах молекулы удерживаются друг возле друга благодаря силам межмолекулярного взаимодействия. По своей сути, эти силы являются электрическими и зависят от электронной структуры молекулы.

К электрическим свойствам молекул относят:

Фундаментальными характеристиками электрических свойств молекул выступают дипольный момент и поляризуемость. Их величины показывают, насколько молекулы могут притягиваться друг к другу.

Определение 1

Молекула — это электронейтральная частица, в которой величина положительного заряда перекрывается величиной отрицательного заряда. В отличие от изолированных атомов, молекула обладает энергией поступательного и вращательного движения. Внутренняя энергия молекулы суммируется из энергии движения электронов и энергии колебательных движений ядер атомов.

Существует два типа нейтральных молекул:

  1. Заряды в молекуле расположены симметрично. При отсутствии воздействия на молекулу внешнего электрического поля их дипольный момент равен нулю.

    Например: газообразные вещества — водород $H_2$, диоксид углерода $CO_2$, азот $N_2$, метан $CH_4$ и др.

  2. Атомы в молекуле расположены ассиметрично. Поэтому данные молекулы обладают определенным дипольным моментом при отсутствии внешнего электрического поля.

Например: газообразные вещества — диоксид серы $SO_2$, сероводород $H_2S$, аммиак $NH_3$; жидкости — вода, эфиры, нитробензол, органические кислоты и др.

Понятие дипольного момента

Дипольный момент ${\mathbf \mu }$ — это векторная величина, характеризующая асимметрическое положение положительных и отрицательных зарядов в нейтральной системе. Он равен произведению расстояния между центрами разноименных зарядов на их величину. Направлен дипольный момент от отрицательного заряда к положительному заряду.

Пример 1

Атом имеет сферическую форму электронного облака. Центры тяжести положительного и отрицательного зарядов в таком атоме находятся в центре сферы и, следовательно, совпадают. При наложении внешнего электрического поля электронное облако будет смещаться и центры тяжести зарядов раздвигаться друг от друга. Таким образом, происходит разведение положительного и отрицательного зарядов — атом поляризуется.

Готовые работы на аналогичную тему

В данном случае дипольный момент является индуцированным (наведенным), так как будет существовать только при наличии внешнего электрического поля. При прекращении действия электрического поля, индуцированный дипольный момент исчезает. При этом, наблюдается прямо пропорциональная зависимость между дипольным моментом и напряженностью электрического поля.

Если молекула полярная, она обладает постоянным дипольным моментом. Он характерен для соединений с электроотрицательным заместителем и как следствие, неровным распределением зарядов в молекулах.

Например: в качестве заместителя выступают $-F$, $-Cl$, $-Br$, $-OR$, $-NO_2$, $-CN$, $-COOR$ и др.

Наведенный дипольный момент способен индуцироваться на молекулах с постоянным дипольным моментом, уменьшая или увеличивая последний.

Понятие о поляризуемости

Определение 2

Способность электронов смещаться под действием электронного поля называется поляризуемостью атома или молекулы.

Степень поляризации будет зависеть от напряженности электрического поля: чем выше напряженность поля, тем более сильно смещаются электроны.

Полярность молекулы оценивают значением ее электрического момента диполя.

Если молекула состоит из разных атомов, то при отсутствии электрического поля центры тяжести разноименных зарядов, вероятно, совпадать не будут.

Некоторые молекулы обладают постоянным дипольным моментом независимо от наличия внешнего электрического поля.

Пример 2

В молекуле хлороводорода $HCl$ атомы водорода и хлора связаны друг с другом гомеополярной связью. Электроотрицательность хлора значительно превышает электроотрицательность водорода, поэтому вблизи атома хлора плотность электронного облака будет значительно увеличена. Центр тяжести отрицательных зарядов смещается в сторону хлора, положительных — в сторону водорода. Следовательно, молекула хлороводорода $HCl$ обладает постоянным дипольным моментом.

Постоянный дипольный момент отсутствует в симметричных молекулах, так как у них центры тяжести совпадают (азот $N_2$, водород $H_2$, кислород $O_2$, хлор $Cl_2$ и др.).

В зависимости от наличия дипольного момента различают: полярные вещества, имеющие постоянный дипольный момент (вода, амммиак, ацетон и др.) и, не имеющие постоянного дипольного момента, неполярные вещества.

Поляризуемость, возникающая под действием внешнего электрического поля может быть и у полярных и у неполярных веществ. В результате поляризуемости в молекуле происходит перераспределение зарядов и изменяется величина дипольного момента.

Под действием внешнего электрического поля неполярная молекула может стать полярной, а полярная стать еще более полярной.

Молекулы полярных веществ под действием электрического поля стремятся развернуться таким образом, чтобы занять положение с наименьшей энергией. Это можно достигнуть, если дипольный момент будет направлен вдоль напряженности поля.

Величина поляризации определяется соотношением между воздействием электрического поля, которое упорядочивает расположение молекул в пространстве и воздействием теплового движения.

Поляризуемость определяется как индуцированный дипольный момент в поле с единичной напряженностью, при условии, что молекула помещена в однородное электрическое поле.

Наличие дипольного момента у молекул является следствием:

  • разных электрических свойств, составляющих молекулу атомов;

  • ассиметричного расположения атомов в молекуле.

Межмолекулярное взаимодействие обусловлено полярностью и поляризуемостью молекул.

Понятие диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость $\varepsilon$ — величина, равная отношению сил взаимодействия между зарядами в вакууме $F_0$ к силам взаимодействия зарядов в веществе $F$:

Диэлектрическая проницаемость характеризует вещества (нейтронные, газообразные, жидкие, твердые), частицы которых обладают электрическим зарядом. Она может описывать как внутренние характеристики среды, так и внешнее воздействие зарядов и электрических токов.

Диэлектрическая проницаемость связана с электрической индукцией $D$ и напряженностью электрического поля в среде $E:$

Диэлектрическая проницаемость зависит от:

  • структуры вещества;

  • температуры;

  • частоты электрического поля;

  • напряженности поля.

Сибирские учёные разработали эффективный метод для изучения молекул воды

Вода — один из самых важных элементов на Земле. В молекулу воды входит два атома водорода. Ядро каждого из атомов — протон — имеет специфическое физическое свойство, которое называется спин. Молекула воды, в которой спины двух протонов сонаправлены, называется ортоизомером. Если же они направлены навстречу друг другу, то мы имеем дело с параизомером.

«Наше знание о свойствах спиновых изомеров воды ещё не полно, — поясняет один из авторов статьи кандидат технических наук Александр Анатольевич Мамрашев. — Эти два вида молекул имеют почти идентичные физические и химические свойства, поэтому их трудно отделить друг от друга. Также трудно осуществить превращение одного изомера в другой. В нормальных условиях концентрации изомеров молекул воды относятся как 3:1. Основная задача в рамках гранта Российского научного фонда № 17-12-01418, который мы сейчас выполняем, — изменить это отношение в ту или другую сторону, создав тем самым обогащение одного из изомеров. Далее можно будет исследовать свойства и применения спиновых изомеров воды».

Чтобы следить за концентрацией каждого из изомеров, необходим эффективный метод их детектирования. Учёные ИАиЭ СО РАН и ИСЭ СО РАН разработали эффективный метод измерения содержания орто- и параизомеров паров воды, присутствующих в воздухе. Дело в том, что спектры поглощения этих видов молекул отличаются друг от друга: следуя законам квантовой статистики, два изомера воды находятся в различных вращательных состояниях, и это проявляется в инфракрасных и терагерцовых спектрах поглощения.

Для измерения спектров поглощения на вещество направляется поток излучения, часть которого проходит практически без взаимодействия с субстанцией, а часть поглощается ею. В данном исследовании специалисты использовали импульсное терагерцовое излучение и спектрометр, который позволяет измерять поглощение в широком диапазоне частот от 0,1 до 2,7 ТГц. Измеряя величину поглощения отдельных линий, принадлежащих орто- и пара-h3O, в терагерцовом диапазоне, можно определить концентрацию молекул каждого из изомеров.

Преимуществом разработанного метода по сравнению с методами классической узкополосной спектроскопии является возможность одновременного измерения нескольких линий поглощения молекул воды в одинаковых физических условиях без перестройки частоты излучения.

Процедура измерения отношения орто- и параизомеров молекул воды включала следующие этапы. С помощью созданного в лаборатории информационной оптики ИАиЭ СО РАН широкополосного спектрометра измерялись терагерцовые спектры в двух средах: в чистом азоте при атмосферном давлении и в воздухе, содержащем пары воды. Их сопоставление давало экспериментальный спектр поглощения паров воды, который сравнивался с теоретическим, рассчитанным с использованием данных из международной базы HITRAN.

Сопоставление теоретических спектров с экспериментальными позволило определить отношение концентраций орто- и параизомеров молекул воды. По измерениям в диапазоне 0,15—1,05 ТГц их отношение составило 3,03±0,03. Полученное значение согласуется с теоретическим значением, равным 3 в равновесных условиях.

Результат доказывает работоспособность предложенного метода и открывает перспективы его использования для исследования обогащения ядерных спиновых изомеров молекул воды в газовой фазе. Обогащенные изомеры могут найти применение в задачах магнитной томографии и для исследования процессов с участием молекул воды в космосе.

Урок №47. Глюкоза. Строение молекулы. Изомерия. Физические свойства и нахождение в природе.

Просмотрите видеоматериал, прочитайте текст, сделайте конспект в тетради ( можно схемой, кластером) 

В природе наиболее распространены Углеводы- моносахариды, в молекулах которых содержится пять углеродных атомов (пентозы) или шесть (гексозы).

Моносахариды – гетерофункциональные соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных.

 Например:

возможно и такое обозначение глюкозы и фруктозы:

 

Из этих формул следует, что моносахариды – это альдегидоспирты или кетоноспирты.

Строение глюкозы C6H12O6

Экспериментально установлено, что в молекуле глюкозы присутствуют альдегидная и гидроксильная группы.

Видео. Распознавание глюкозы с помощью качественных реакций

В результате взаимодействия карбонильной группы с одной из гидроксильных глюкоза может существовать в двух формах: открытой цепной и циклической.

В растворе глюкозы эти формы находятся в равновесии друг с другом.

Например, в водном растворе глюкозы существуют следующие структуры:

Циклические α- и β-формы глюкозы представляют собой пространственные изомеры, отличающиеся положением полуацетального гидроксила относительно плоскости кольца. В α-глюкозе этот гидроксил находится в транс-положении к гидроксиметильной группе -СН2ОН, в β-глюкозе – в цис-положении. С учетом пространственного строения шестичленного цикла формулы этих изомеров имеют вид:

 

Анимация. Равновесие трех форм глюкозы в одном растворе

Строение глюкозы. Циклические формы

Явление существования веществ в нескольких взаимопревращающихся изомерных формах было названо А. М. Бутлеровым динамической изомерией. Позднее это явление было названо таутомерией (от греческого tauto – «тот же самый» и meros – «часть».

В твёрдом состоянии глюкоза имеет циклическое строение. Обычная кристаллическая глюкоза – это α- форма. В растворе более устойчива β-форма (при установившемся равновесии на неё приходится более 60% молекул). Доля альдегидной формы в равновесии незначительна. Это объясняет отсутствие взаимодействия с фуксинсернистой кислотой (качественная реакция альдегидов).

Для глюкозы кроме явления таутомерии характерны структурная изомерия с кетонами (глюкоза и фруктоза – структурные межклассовые изомеры)

Строение фруктозы

Циклические формы фруктозы:

Фруктоза — изомер и «близкий родственник» глюкозы. Она хорошо растворима в воде, имеет сладкий вкус (примерно в 3 раза слаще глюкозы).
Фруктоза также наиболее часто встречается в циклических формах (a- или b-), но, в отличие от глюкозы, в пятичленных. 


Фруктоза и глюкоза в больших количествах содержатся в сладких фруктах, пчелином меде.

и оптическая изомерия:

 В молекуле глюкозы 5 асимметричных атомов углерода.

Физические свойства глюкозы:

Глюкоза – бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус (лат. «глюкос» – сладкий):

1) она встречается почти во всех органах растения: в плодах, корнях, листьях, цветах;

2) особенно много глюкозы в соке винограда и спелых фруктах, ягодах;

3) глюкоза есть в животных организмах;

4) в крови человека ее содержится примерно 0,1 %.

Глюкоза. Нахождение в природе

Видео YouTube

Домашнее задание: осмыслите новую информацию. 

4.5: Характеристики молекул — Chemistry LibreTexts

Цели обучения

  • Определите молекулярную массу молекулы.
  • Предскажите общую форму простой ковалентной молекулы.
  • Предскажите полярность молекулы.
  • Сравните свойства ионных и молекулярных соединений.

В отличие от ионов в ионных соединениях, которые расположены в решетках, называемых кристаллами, молекулы ковалентных соединений существуют как дискретные единицы с характерной массой и определенной трехмерной формой.

Молекулярная масса

Масса молекулы — молекулярная масса (иногда называемая молекулярной массой) — это просто сумма масс ее атомов. Как и в случае с формульной массой, важно отслеживать количество атомов каждого элемента в молекулярной формуле, чтобы получить правильную молекулярную массу.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Какова молекулярная масса каждого ковалентного соединения?

  1. H 2 O
  2. С 6 В 6
  3. НЕТ 2
  4. N 2 O 5

Решение

Используйте атомные массы из Периодической таблицы в разделе 2.7.

Молекулярная формула H 2 O указывает, что в каждой молекуле есть два атома водорода и один атом кислорода. Суммируя массы этих атомов, получаем

2 ч: 2 × 1,01 = 2,02 а.е.м.
1 О: + 16.00 а.е.м.
Всего: 18.02 а.е.м.

Молекулярная масса H 2 O составляет 18,02 а.е.м.

6 С: 6 × 12,01 = 72,06 а.е.м.
6 часов: 6 × 1,01 = + 6,06 а.е.м.
Всего: 78,12 а.е.м.

Молекулярная масса C 6 H 6 составляет 78.12 а.е.м.

1 н .: 14,01 а.е.м.
2 О: 2 × 16,00 = + 32.00 а.е.м.
Всего: 46,01 а.е.м.

Молекулярная масса NO 2 составляет 46,01 а.е.м.

2 н .: 2 × 14.01 = 28,02 а.е.м.
5 О: 5 × 16,00 = + 80.00 а.е.м.
Всего: 108,02 а.е.м.

Молекулярная масса N 2 O 5 составляет 108,02 а.е.м.

Обратите внимание, что два разных соединения азота и кислорода в этих примерах имеют разные молекулярные массы.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Какова молекулярная масса каждого ковалентного соединения?

  1. С 2 В 2
  2. CO
  3. CO 2
  4. БФ 3
Ответ:

26,04 а.е.м.

Ответ b:

28,01 а.е.м.

Ответ c:

44.01 а.е.

Ответ d:

67,81 а.е.м.

Молекулярная форма: теория VSEPR

В отличие от ионных соединений с их протяженными кристаллическими решетками, ковалентные молекулы представляют собой дискретные единицы определенной трехмерной формы. Форма молекулы определяется тем фактом, что ковалентные связи, состоящие из отрицательно заряженных электронов, имеют тенденцию отталкиваться друг от друга. Эта концепция называется теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR) .Например, две ковалентные связи в \ (\ ce {BeCl2} \) находятся как можно дальше друг от друга , заканчиваясь на 180 ° друг от друга. В результате получается линейная молекула :

Три ковалентные связи в BF 3 отталкиваются друг от друга, образуя углы 120 ° в плоскости в форме, называемой тригонально плоской :

Молекулы \ (\ ce {BeCl2} \) и \ (\ ce {BF3} \) фактически нарушают правило октетов; однако такие исключения редки и не будут обсуждаться в этом тексте.

Попробуйте воткнуть три зубочистки в зефир или мармелад и посмотрите, сможете ли вы найти разные позиции, где ваши «связи» дальше друг от друга, чем при плоской ориентации 120 °.

Четыре ковалентные связи в CCl 4 расположены в трех измерениях, указывая на угол тетраэдра и составляя валентные углы 109,5 °. CCl 4 имеет четырехгранную форму :

Атомы вокруг центрального атома Геометрия Пример
2 \ (\ ce {AB_2} \) линейный \ (\ ce {BeCl_2} \)
3 \ (\ ce {AB_3} \) Тригональная планарная \ (\ ce {BF_3} \)
4 \ (\ ce {AB_4} \) Тетраэдр \ (\ ce {CCl_4} \)

При определении формы молекул полезно сначала определить диаграмму Льюиса для молекулы.Формы молекул с множественными связями определяются путем рассмотрения кратных связей как одной связи. Таким образом, формальдегид (CH 2 O) имеет форму, аналогичную форме BF 3 . Это тригонально планарная .

Молекулы с одиночными парами вокруг центрального атома

Молекулы с неподеленными электронными парами вокруг центрального атома имеют форму, основанную на положении атомов, а не на электронных парах. Например, NH 3 имеет одну неподеленную электронную пару и три связанных электронных пары .Эти четыре электронные пары отталкиваются друг от друга и принимают тетраэдрическое расположение. Однако форма молекулы описывается положениями атомов, а не неподеленными электронными парами. Таким образом, NH 3 имеет треугольную пирамидальную форму , а не тетраэдрическую.

Аналогично, H 2 O имеет две неподеленные пары электронов вокруг центрального атома кислорода и две связанные электронные пары . Хотя четыре пары электронов имеют тетраэдрическое расположение, форма молекулы описывается только положениями атомов.Форма H 2 O представляет собой изогнутую с приблизительным углом 109,5 °.

Таким образом, для определения молекулярной геометрии:

Шаг 1: Изобразите структуру Льюиса.

Шаг 2: Подсчитайте количество связей (двойная / тройная связь считается как одна) и неподеленных пар вокруг центрального атома .

Шаг 3: Используйте таблицу 4.5.1 для определения геометрии молекулы.

Таблица 4.5.1: Геометрия молекулы зависит от количества связей и неподеленных пар вокруг центрального атома , A.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Какова геометрия иона аммония, NH 4 + ? Его структура Льюиса показана ниже. Чем он отличается от аммиака NH 3 ?

Решение

В ионе аммония центральный атом N имеет 4 связи и не имеет неподеленной пары. Это эквивалентно приведенному ниже в Таблице 4.5.1. Следовательно, это тетраэдров .

В аммиаке (NH 3 ), показанном ниже, N имеет 3 связи и одну неподеленную пару.

Это эквивалентно приведенному ниже в Таблице 4.5.1. Следовательно, форма этой молекулы — тригональная пирамида .

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Какова молекулярная форма нитрозилхлорида, сильно едкого красновато-оранжевого газа? Его структура Льюиса показана ниже.

Ответ

Сосредоточьтесь на центральном атоме N. Он имеет двойную связь с О, считайте это одной связью.Он также имеет одинарную связь с Cl. Таким образом, N имеет 2 связи и одну неподеленную пару. Эти 3 пары электронов разойдутся на 120 градусов друг от друга. Но, поскольку форма определяется только расположением атомов, форма может быть изогнутой или угловатой. Если вы обратитесь к Таблице 4.5.1, эта молекула эквивалентна приведенной ниже. Следовательно, две связи и одна неподеленная пара имеют изогнутую или угловую форму .

Молекулярная полярность

В общем случае молекула неполярна, если все ее связи неполярны.Примеры: I 2 , O 2 , H 2 , CH 4 , C 2 H 6 и C 3 H 8 .

В общем, молекула полярна, если она содержит полярные связи, ЗА ИСКЛЮЧЕНИЕМ тех случаев, когда полярности связей компенсируют друг друга. Как упоминалось в разделе 4.4, форма молекулы CO 2 (линейная) ориентирует две полярные связи C = O прямо напротив друг друга, таким образом нейтрализует влияние друг друга . Углекислый газ (CO 2 ) представляет собой неполярную молекулу .

С другой стороны, вода (как обсуждалось выше) представляет собой изогнутую молекулу из-за наличия двух неподеленных пар на центральном атоме кислорода. Из-за изогнутой формы диполи не компенсируют друг друга, и молекула воды является полярной . На рисунке ниже отдельные полярные связи H-O, представленные двумя красными стрелками, не находятся прямо напротив друг друга. Эти два диполя не компенсируют друг друга. Фактически, чистый диполь (синяя стрелка) указывает вверх. В результате возникает частичный положительный заряд на одном конце (между двумя атомами H) и частичный отрицательный заряд на другом конце (где находится O).Неравномерное распределение заряда или общий диполь показано синей стрелкой ниже (рисунок 4.5.1). Следовательно, вода является полярной (имеет + и — полюса), а углекислого газа является неполярной .

Рисунок 4.5.1: Молекулярная геометрия молекулы (линейная или изогнутая) влияет на ее полярность.

Аналогично, в BF 3 (тригонально-планарный) эффект связи B-F отменяется суммой двух других связей B-F (см. Видео).Следовательно, тригональная плоская молекула (BF 3 ) неполярна, поскольку полярности связей компенсируют друг друга, но тригонально-пирамидальная молекула (NH 3 ) полярна.

Рис. 4.5.2: Молекулярная геометрия молекулы (тригональная плоская или тригональная пирамида) влияет на ее полярность.

Некоторые другие молекулы показаны на рисунке ниже. Обратите внимание, что тетраэдрическая молекула, такая как CCl 4 , является неполярной . Однако, если периферийные атомы не обладают одинаковой электроотрицательностью, полярности связи не отменяются, и молекула становится полярной , как в CH 3 Cl.

Рис. 4.5.3: Та же молекулярная геометрия, но периферийные связи имеют разную электроотрицательность. CCl 4 неполярен, а CH 3 Cl полярен.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Молекулы с полярными связями. Дипольные моменты индивидуальных связей обозначены красным. Из-за различной трехмерной геометрии некоторые молекулы с полярными связями имеют суммарный дипольный момент (HCl, CH 2 O, NH 3 и CHCl 3 ), обозначенный синим цветом, в то время как другие нет, потому что диполи связи аннулируются из-за симметрии (BCl 3 и CCl 4 ).

Физические свойства молекулярных соединений

Физическое состояние и свойства конкретного соединения в значительной степени зависят от типа химической связи, которую оно демонстрирует. Молекулярные соединения , иногда называемые ковалентными соединениями, проявляют широкий спектр физических свойств из-за различных типов межмолекулярных взаимодействий, таких как различные виды полярных взаимодействий. Точки плавления и кипения молекулярных соединений обычно довольно низкие по сравнению с таковыми ионных соединений .Это связано с тем, что энергия, необходимая для разрушения межмолекулярных сил (обсуждаемых в разделе 8.1) между молекулами, намного меньше энергии, необходимой для разрыва ионных связей в кристаллическом ионном соединении. Поскольку молекулярные соединения состоят из нейтральных молекул, их электропроводность, как правило, довольно низкая, как в твердом, так и в жидком состоянии. Ионные соединения не проводят электричество в твердом состоянии из-за их жесткой структуры, но хорошо проводят в расплаве или растворении в растворе.Растворимость молекулярных соединений в воде варьируется и зависит в первую очередь от типа задействованных межмолекулярных сил. Вещества, которые проявляют водородные связи или диполь-дипольные силы, обычно растворимы в воде, тогда как вещества, которые проявляют только силы лондонской дисперсии, обычно нерастворимы. Большинство, но не все ионные соединения хорошо растворяются в воде. В таблице ниже приведены некоторые различия между ионными и молекулярными соединениями.

Имущество Ионные соединения Молекулярные соединения
Тип элементов Металлы и неметаллы Только неметаллы
Склеивание Ионный — перенос электронов между атомами Ковалент — разделение пары электронов между атомами
Представительская единица Единица формулы Молекула
Физическое состояние при комнатной температуре твердый Газ, жидкость или твердое вещество
Растворимость в воде Обычно высокая переменная
Температура плавления и кипения Обычно высокий Обычно низкая
Электропроводность Годен в расплавленном состоянии или в растворе Плохо

Таблица 4.5.2: Сравнение ионных и молекулярных соединений

Таким образом, ковалентные соединения более мягкие, имеют более низкие температуры кипения и плавления, более горючие, менее растворимы в воде и не проводят электричество по сравнению с ионными соединениями. Отдельные точки плавления и кипения, растворимость и другие физические свойства молекулярных соединений зависят от молекулярной полярности.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Опишите форму каждой молекулы. Он полярный или неполярный?

  1. PCl 3
  2. CO 2

Решение

  1. Диаграмма Льюиса для PCl 3 выглядит следующим образом:

    Сосредоточьтесь на центральном атоме P, который имеет 3 связи и одну неподеленную пару.Четыре электронные пары расположены тетраэдрически, но неподеленная электронная пара не учитывается при описании молекулярной формы. Как и NH 3 , эта молекула пирамидальная . 3 облигации P-Cl не отменяют друг друга. Это полярных.

  2. Диаграмма Льюиса для CO 2 выглядит следующим образом:

    Сосредоточьтесь на центральном атоме C. Множественные связи рассматриваются как одна группа, следовательно, C имеет 2 связи и ноль неподеленную пару. CO 2 имеет только две группы электронов, которые отталкиваются друг от друга.Они будут располагаться на 180 ° друг от друга, поэтому молекулы CO 2 являются линейными . Это очень симметрично, когда два противоположных диполя компенсируют друг друга. Молекула CO 2 является неполярной .

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Опишите форму каждой молекулы. Он полярный или неполярный?

  1. CBr 4
  2. БКЛ 3
Ответ:

или

Структура Льюиса показывает 4 группы, присоединенные к центральному атому, отсюда тетраэдрических .Все 4 группы идентичны и имеют симметричную форму. Следовательно, это неполярных.

Ответ b:

Диаграмма Льюиса показывает 3 группы, присоединенные к центральному атому, отсюда тригональных плоских . Все 3 группы идентичны, а форма симметрична, следовательно, неполярны.

Упражнения по обзору концепции

  1. Как определить молекулярную массу ковалентного соединения?
  2. Как определить форму молекулы?
  3. Как определить, полярная или неполярная молекула?

Ответы

  1. Молекулярная масса — это сумма масс атомов в формуле.

2. Форма молекулы определяется положением атомов, которое, в свою очередь, определяется отталкиванием связанных и неподеленных электронных пар вокруг центрального атома.

3. Если все связи в молекуле неполярны, молекула неполярна. Если он содержит идентичные полярные связи, которые симметрично ориентированы друг напротив друга (линейные, тригональные плоские или тетраэдрические), то молекула неполярна. Если он содержит полярные связи, которые не нейтрализуют эффекты друг друга, молекула полярна.

Основные выводы

  • Молекула имеет определенную массу, называемую молекулярной массой.
  • Простые молекулы имеют геометрию, которая может быть определена с помощью теории VSEPR.
  • Полярные молекулы являются результатом разницы в электроотрицательности атомов в молекуле.
  • Диполи, расположенные прямо напротив друг друга, компенсируют друг друга.

Упражнения

  1. Какова молекулярная масса каждого соединения?

    1. H 2 S
    2. N 2 O 4
    3. ICl 3
    4. HCl
  2. Какова молекулярная масса каждого соединения?

    1. О 2 Ф 2
    2. CCl 4
    3. С 6 В 6
    4. СО 3
  3. Аспирин (C 9 H 8 O 4 ) — ковалентное соединение.Какая у него молекулярная масса?

  4. Холестерин (C 27 H 46 O) является биологически важным соединением. Какая у него молекулярная масса?

  5. Какова форма каждой молекулы? Укажите, полярный он или неполярный.

    1. H 2 S
    2. COCl 2
    3. СО 2
  6. Какова форма каждой молекулы? Укажите, полярный он или неполярный.

    1. NBr 3
    2. SF 2
    3. SiH 4
  7. Предскажите форму закиси азота (N 2 O), которая используется в качестве анестетика. Атом азота находится в центре этой трехатомной молекулы. Это полярно?

  8. Предскажите форму ацетилена (C 2 H 2 ), который имеет два атома углерода в середине молекулы с тройной связью.Какое обобщение вы можете сделать о формах молекул, у которых есть более одного центрального атома?

Ответы

    1. 34,08 а.е.м.
    2. 92,02 а.е.м.
    3. 233,25 а.е.м.
    4. 36,46 а.е.м.

2. Какова молекулярная масса каждого соединения?

  1. 70,00 а.е.м.
  2. 153,81 а.е.м.
  3. 78,12 а.е.м.
  4. 80.06 а.е.

4. 386,73 а.е.м.

    1. гнутый; полярный
    2. тригонально планарный; неполярный
    3. гнутый; полярный

6.

  1. пирамидальный; полярный
  2. гнутый; полярный
  3. четырехгранный; неполярный

7. линейный; полярный

8. линейный; в молекуле с более чем одним центральным атомом необходимо исследовать геометрию вокруг каждого центрального атома.

Молекулярные свойства. | Загрузить таблицу

Context 1

…, авторы также продемонстрировали, что в исторических документах в ходе старения в условиях окружающей среды образуются те же хромофоры, что и ключевые хромофоры в современной целлюлозной пульпе (Schedl et al. 2016). Теория функционала плотности (DFT) (Kohn 1999) и зависимая от времени DFT (TDDFT) (Marques and Gross 2004) ранее использовались для исследования оптических свойств 4 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 органические молекулы (Cardia et al.2016b), биомолекул (Molteni et al. 2017) и систем конечных размеров (Hogan et al. 2013). …

Контекст 2

… с другой стороны, молекула C принадлежит к классу органических соединений ацетофенона, который также является простейшим ароматическим кетоном. Мы использовали веб-сервер Molinspiration (Molinspiration) для расчета важных молекулярных свойств, таких как (i) площадь полярной поверхности (Ertl et al. 2000), которая определяется как сумма поверхностей полярных атомов в молекуле, и (ii) октанол. -коэффициент водного распределения logP (Левин, 1980), который является мерой молекулярной гидрофобности (таблица 1) с более высоким отрицательным значением, означает, что молекула более гидрофобна по своей природе.Другое важное молекулярное свойство, которое мы рассчитали, — это количество вращающихся связей, которое является простым топологическим параметром для измерения молекулярной гибкости и определяется как более высокая гибкость по отношению к другим молекулам. …

Контекст 3

… спектр поглощения молекул, выраженный в колебательной силе (рис. S1-S4). Сравнение расстояния связи между молекулами после оптимизации классической геометрии в вакууме и для сольватированного конформера, полученного в результате моделирования методом МД в воде (таблицы S1-S4).В Таблице S5 детальное сравнение спектров поглощения трех наиболее вероятных конформеров молекулы C, извлеченных из МД моделирования в воде. 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 52152 523 524 525 52652752 8529530 531 532 533534 535 536 537 538 539 540 541 542 …

8 : Молекулярная структура и физические свойства

Foundation

Начнем с наших знаний о структуре и свойствах атомов.Мы знаем, что атомы имеют ядерную структуру, а это означает, что весь положительный заряд и практически вся масса атома сосредоточены в ядре, которое составляет очень небольшую часть объема атома. Кроме того, мы знаем, что многие свойства атомов можно понять с помощью модели, в которой электроны в атоме расположены в «оболочках» вокруг ядра, причем каждая оболочка находится дальше от ядра, чем предыдущая. Электроны во внешних оболочках более слабо прикреплены к атому, чем электроны во внутренних оболочках, и только ограниченное количество электронов может поместиться в каждой оболочке.Внутри каждой оболочки есть подоболочки, каждая из которых также может содержать ограниченное количество электронов. Электроны в разных подоболочках имеют разные энергии и разные положения для движения вокруг ядра. Мы также предполагаем знание структуры Льюиса, модели для химической связи, основанной на совместном использовании пары электронов валентной оболочки и правила октетов. Ковалентная химическая связь образуется, когда два связанных атома разделяют между собой пару электронов валентной оболочки. Обычно атомы групп с IV по VII связываются так, чтобы образовать октет электронов валентной оболочки.Наконец, мы принимаем модель Electron Domain Model для понимания и предсказания геометрии молекул. Пары электронов валентной оболочки расположены в связывающих и несвязывающих доменах, и эти домены разделены в пространстве, чтобы минимизировать электрон-электронное отталкивание. Такое расположение электронных доменов определяет геометрию молекулы.

Голы

Мы должны ожидать, что свойства молекул и, соответственно, веществ, которые они составляют, должны зависеть от деталей структуры и связей в этих молекулах. \ text {o} \ text {C} \) .Мы стремимся понять эти вариации, анализируя молекулярные структуры.

Чтобы развить это понимание, нам нужно будет применить больше деталей нашего понимания атомной структуры и электронных конфигураций. В нашей модели ковалентной связи мы предположили, что атомы «разделяют» электроны, образуя связь. Однако наши знания свойств атомов показывают, что разные атомы притягивают электроны с разной силой, что приводит к очень сильным изменениям энергии ионизации, атомных радиусов и сродства к электрону.Мы стремимся включить эту информацию в наше понимание химической связи.

Наблюдение 1: Соединения групп I и II

Мы начинаем с анализа соединений, образованных из элементов I и II групп (например, натрия и магния). Эти соединения в настоящее время не являются частью нашей структурной модели Льюиса. Например, натрий с одним валентным электроном вряд ли получит семь дополнительных электронов для завершения октета. Действительно, общая валентность щелочных металлов в группе 1 равна 1, а не 7, а общая валентность щелочноземельных металлов равна 2, а не 6.\text{o} \text{C} \right)\)»>> 1600

Во-вторых, неметаллические галогениды жидкости являются электрическими изоляторами, то есть они не проводят электрический ток.Напротив, когда мы плавим галогенид щелочного металла или галогенид щелочноземельного металла, полученная жидкость является отличным проводником электричества. Это указывает на то, что эти расплавленные соединения состоят из ионов, а галогениды неметаллов — нет.

Мы должны сделать вывод, что связывание атомов в галогенидах щелочных металлов и галогенидах щелочноземельных металлов значительно отличается от связывания в галогенидах неметаллов. Нам необходимо расширить нашу модель электронов валентных оболочек, чтобы учесть эту связь, и, в частности, мы должны учесть присутствие ионов в расплавленных галогенидах металлов.Рассмотрим типичный пример \ (\ ce {NaCl} \). Мы уже пришли к выводу, что атомы \ (\ ce {Cl} \) реагируют, образуя полный октет электронов валентной оболочки. Такой октет может быть достигнут путем ковалентного разделения электрона с единственной валентной оболочкой от атома натрия. Однако такое ковалентное разделение явно несовместимо с присутствием ионов в расплавленном хлориде натрия. Кроме того, этот тип связи предсказывает, что \ (\ ce {NaCl} \) должен иметь свойства, аналогичные свойствам других ковалентных хлоридных соединений, большинство из которых являются жидкостями при комнатной температуре.\ text {o} \ text {C} \), температура кипения хлорида натрия. Обратите внимание, что если твердый хлорид натрия состоит из отдельных ионов натрия в непосредственной близости от отдельных ионов хлорида, то каждый положительный ион не просто притягивается к одному конкретному отрицательному иону, но, скорее, ко всем отрицательным ионам в непосредственной близости от него. Следовательно, твердый хлорид натрия нельзя рассматривать как отдельные молекулы \ (\ ce {NaCl} \), а следует рассматривать скорее как решетку положительных ионов натрия, взаимодействующих с отрицательными ионами хлорида.Этот тип «ионной» связи, которая возникает из-за электростатического притяжения взаимосвязанных решеток положительных и отрицательных ионов, объясняет очень высокие температуры плавления и кипения галогенидов щелочных металлов.

Теперь мы можем нарисовать модифицированные структуры Льюиса для учета ионной связи, но они сильно отличаются от наших предыдущих рисунков. Хлорид натрия можно представить, как показано на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1: Структура Льюиса для хлорида натрия.+} \) ион подчиняется правилу октетов, которое, возможно, состоит в том, что, освободив свою валентную оболочку от электронов, оставшаяся внешняя оболочка электронов в ионе имеет тот же октет, что и атом неона. Однако мы должны иметь в виду, что положительный ион натрия притягивается ко многим отрицательным ионам хлора, а не только к одному иону хлора, изображенному в структуре Льюиса.

Наблюдение 2: Моменты молекулярного диполя

Наша модель связи Льюиса, разработанная в настоящее время, включает два крайних взгляда на распределение электронов в связи.В ковалентной связи до этого момента мы предполагали, что электронная пара полностью разделена. Напротив, в ионной связи мы предположили, что электроны вообще не разделяются. Скорее предполагается, что один из атомов полностью извлекает один или несколько электронов из другого. Можно ожидать, что более точное описание реальности химических связей в целом находится где-то между этими двумя крайностями. Чтобы наблюдать это промежуточное поведение, мы можем изучить молекулярные дипольные моменты.

Электрический диполь — это пространственное разделение положительных и отрицательных зарядов. В простом случае положительный заряд \ (Q \) и отрицательный заряд \ (- Q \), разделенные расстоянием \ (R \), создают измеримый дипольный момент , \ (\ mu \), равный \ ( Q \ раз R \). Электрическое поле может взаимодействовать с электрическим диполем и даже может ориентировать диполь в направлении поля.

Изначально можно было ожидать, что молекулы вообще не имеют дипольных моментов. Каждый атом, образующий химическую связь, электрически нейтрален с равным количеством положительных и отрицательных зарядов.Следовательно, молекула, образованная из нейтральных атомов, также должна быть электрически нейтральной. Хотя электронные пары являются общими для связанных ядер, это не влияет на общее количество отрицательных зарядов. Из этих простых утверждений мы могли бы предсказать, что на молекулы не будут воздействовать электрические или магнитные поля, причем каждая молекула будет вести себя как отдельная незаряженная частица.

Однако это предсказание неверно. Чтобы проиллюстрировать, поток воды может быть отклонен электрически заряженным объектом рядом с потоком, что указывает на то, что отдельные молекулы воды демонстрируют дипольный момент.{-30} \: \ text {C} \ cdot \ text {m} \). Вода не уникальна: молекулы большинства веществ обладают дипольными моментами. Выборка молекул и их дипольных моментов приведена в таблице 8.2.

Таблица 8.2: Дипольные моменты определенных молекул
\ (\ му \) (дебай)
\ (\ ce {H_2O} \) 1,85
\ (\ ce {HF} \) 1.91
\ (\ ce {HCl} \) 1.08
\ (\ ce {HBr} \) 0,80
\ (\ ce {HI} \) 0,42
\ (\ ce {CO} \) 0,12
\ (\ ce {CO_2} \) 0
\ (\ ce {NH_3} \) 1,47
\ (\ ce {PH_3} \) 0.58
\ (\ ce {AsH_3} \) 0,20
\ (\ ce {CH_4} \) 0
\ (\ ce {NaCl} \) 9,00

Если снова сосредоточиться на молекуле воды, как мы можем объяснить существование дипольного момента у нейтральной молекулы? Существование дипольного момента показывает, что молекула воды должна иметь внутреннее разделение на положительный частичный заряд \ (\ delta \) и отрицательный частичный заряд \ (- \ delta \).Таким образом, должно быть верно, что электроны в ковалентной связи между водородом и кислородом не разделены на поровну и на . Скорее общие электроны должны проводить больше времени в непосредственной близости от одного ядра, чем другого. Таким образом, молекула имеет одну область, где в среднем имеется чистый избыток отрицательного заряда, и одну область, где в среднем имеется компенсирующий избыток положительного заряда, таким образом образуя молекулярный диполь. Дополнительные наблюдения показывают, что кислородный «конец» молекулы несет частичный отрицательный заряд.Следовательно, ковалентно разделенные электроны проводят больше времени около атома кислорода, чем около атомов водорода. Мы пришли к выводу, что атомы кислорода обладают большей способностью притягивать общие электроны в связи, чем атомы водорода.

Не стоит удивляться тому факту, что отдельные атомы разных элементов обладают разными способностями притягивать электроны к себе. Ранее мы видели, что разные атомы имеют сильно различающиеся энергии ионизации, представляющие большие различия в степени, в которой атомы цепляются за свои электроны.Мы также наблюдали большие вариации в сродстве атомов к электрону, представляющие вариации в степени, в которой атомы притягивают добавленный электрон. Теперь мы определяем электроотрицательность атома как способность атома притягивать электроны в химической связи. Это отличается от энергии ионизации или сродства к электрону, потому что электроотрицательность — это притяжение электронов в химической связи , тогда как энергия ионизации и сродство к электрону относятся к удалению и присоединению электронов в свободных атомах.Однако можно ожидать, что электроотрицательность коррелирует с сродством к электрону и энергией ионизации. В частности, электроотрицательность атома возникает из-за комбинации свойств атома, включая размер атома, заряд ядра, количество электронов вокруг ядер и количество электронов в валентной оболочке.

Поскольку электроотрицательность является абстрактно определенным свойством, его нельзя измерить напрямую. Фактически, существует множество определений электроотрицательности, что приводит к множеству различных шкал электроотрицательности.Однако относительную электроотрицательность можно наблюдать косвенно, измеряя дипольные моменты молекул: в общем, чем больше дипольный момент, тем больше должно быть разделение зарядов и, следовательно, тем менее равномерным должно быть разделение связывающих электронов.

Имея это в виду, вернемся к диполям, приведенным в таблице 8.2. В этих данных можно выделить несколько важных тенденций. Обратите внимание, что каждый галогенид водорода (\ (\ ce {HF} \), \ (\ ce {HCl} \), \ (\ ce {HBr} \) и \ (\ ce {HI} \)) имеет значительную дипольный момент.Более того, дипольные моменты увеличиваются, когда мы перемещаемся на вверх по таблице Менделеева в группе галогенов. Мы можем сделать вывод, что атомы фтора имеют большую электроотрицательность, чем атомы хлора и т. Д. Отметим также, что \ (\ ce {HF} \) имеет больший дипольный момент, чем \ (\ ce {H_2O} \), который, в свою очередь, больше чем у \ (\ ce {NH_3} \). Мы можем сделать вывод, что электроотрицательность увеличивается, когда мы перемещаем по периодической таблицы слева направо за один период. Эти тенденции обычно сохраняются при сравнении электроотрицательностей отдельных элементов.Один набор относительных электроотрицательностей атомов в первых трех строках периодической таблицы приведен в таблице 8.3.

Таблица 8.3: Электроотрицательность выбранных атомов
х
\ (\ ce {H} \) 2,1
\ (\ ce {He} \)
\ (\ ce {Li} \) 1.0
\ (\ ce {Be} \) 1,5
\ (\ ce {B} \) 2,0
\ (\ ce {C} \) 2,5
\ (\ ce {N} \) 3,0
\ (\ ce {O} \) 3,5
\ (\ ce {F} \) 4,0
\ (\ ce {Ne} \)
\ (\ ce {Na} \) 0.9
\ (\ ce {Mg} \) 1,2
\ (\ ce {Al} \) 1,5
\ (\ ce {Si} \) 1,8
\ (\ ce {P} \) 2,1
\ (\ ce {S} \) 2,5
\ (\ ce {Cl} \) 3,0
\ (\ ce {Ar} \)
\ (\ ce {K} \) 0.8
\ (\ ce {Ca} \) 1,0

Наблюдение 3: Дипольные моменты в многоатомных молекулах

Мы можем разумно ожидать от нашего анализа наблюдения дипольного момента в любой молекуле, образованной из атомов с разной электроотрицательностью. Хотя это должно быть так для двухатомной молекулы, это не обязательно верно для многоатомной молекулы, то есть молекулы с более чем двумя атомами. Например, углерод более электроотрицателен, чем водород.Однако простейшая молекула, образованная из углерода и водорода (например, \ (\ ce {CH_4} \)), не обладает дипольным моментом , а не , как мы видим в Таблице 8.2. Точно так же кислород значительно более электроотрицателен, чем углерод, но \ (\ ce {CO_2} \) — неполярная молекула. Анализ молекулярных дипольных моментов в многоатомных молекулах требует от нас применения нашего понимания молекулярной геометрии.

Обратите внимание, что каждая связь \ (\ ce {C-O} \) должна быть полярной из-за неравного распределения электронных пар между углеродом и кислородом.Таким образом, атом углерода должен иметь небольшой положительный заряд, а атом кислорода — небольшой отрицательный заряд в каждой связи \ (\ ce {C-O} \). Однако, поскольку каждый атом кислорода должен иметь одинаковый суммарный отрицательный заряд, ни один из концов молекулы не будет проявлять большее сродство к электрическому полю. Более того, поскольку \ (\ ce {CO_2} \) линейно, диполь в одной связи \ (\ ce {CO} \) точно смещен диполем в противоположном направлении из-за другого \ (\ ce {CO} \) связь. При измерении с помощью электрического поля на расстоянии молекула \ (\ ce {CO_2} \) не имеет разделенных положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, не имеет полярности.Таким образом, при прогнозировании молекулярных диполей мы должны учитывать как различия в электроотрицательности, которые влияют на полярность связей, так и общую геометрию молекулы, которая может привести к отмене полярностей связей.

Используя тот же аргумент, мы можем рационализировать нулевые молекулярные дипольные моменты, наблюдаемые для других молекул, таких как метан, этен и ацетилен. В каждой из этих молекул отдельные связи \ (\ ce {C-H} \) полярны. Однако симметрия молекулы приводит к отмене этих диполей связи в целом, и ни одна из этих молекул не имеет молекулярного дипольного момента.

В качестве примера того, как молекулярное свойство, такое как дипольный момент, может влиять на макроскопические свойства вещества, мы можем исследовать точки кипения различных соединений. Температура кипения соединения определяется силой сил между молекулами соединения: чем сильнее сила, тем больше энергии требуется для разделения молекул, тем выше температура, необходимая для обеспечения этой энергии. Следовательно, молекулы с сильными межмолекулярными силами имеют высокие температуры кипения.\ text {o} \ text {C} \). Таким образом, все три соединения являются газами при комнатной температуре и значительно ниже ее. Эти молекулы имеют очень похожие массы и одинаковое количество электронов. Однако дипольные моменты этих молекул очень разные. Дипольный момент \ (\ ce {SiH_4} \) равен \ (0.0 \: \ text {D} \), дипольный момент \ (\ ce {PH_3} \) равен \ (0.58 \: \ text {D } \), а дипольный момент \ (\ ce {SH_2} \) равен \ (0.97 \: \ text {D} \). Обратите внимание, что для подобных молекул, чем выше дипольный момент, тем выше температура кипения.Таким образом, молекулы с большими дипольными моментами обычно имеют более сильные межмолекулярные силы, чем аналогичные молекулы с меньшими дипольными моментами. Это связано с тем, что положительный конец диполя в одной молекуле может электростатически взаимодействовать с отрицательным концом диполя в другой молекуле, и наоборот.

Отметим, однако, что на основании информации о дипольном моменте нельзя, как правило, предсказать только относительные точки кипения соединений очень разнородных молекул.

Обзор и вопросы для обсуждения

  1. Сравните и сопоставьте химические и физические свойства \ (\ ce {KCl} \) и \ (\ ce {CCl_4} \), а также сравните и сопоставьте, как модель химической связи может быть использована для учета этих свойств.
  2. Почему дипольный момент \ (\ ce {NaCl} \) чрезвычайно велик?
  3. Объясните, почему \ (\ ce {CO} \) имеет дипольный момент, а \ (\ ce {CO_2} \) — нет.
  4. Объясните, почему ожидается, что атом с высокой энергией ионизации будет иметь высокую электроотрицательность. Объясните, почему ожидается, что атом с высоким сродством к электрону будет иметь высокую электроотрицательность.
  5. Можете ли вы предсказать, что атом \ (\ ce {Kr} \) имеет высокую или низкую электроотрицательность? Предскажите относительную электроотрицательность \ (\ ce {Kr} \) и \ (\ ce {F} \).
  6. Объясните, почему \ (\ ce {S} \) имеет большую электроотрицательность, чем \ (\ ce {P} \), но меньшую электроотрицательность, чем \ (\ ce {O} \).
  7. \ (\ ce {N} \) атомов обладают высокой электроотрицательностью. Однако атомы \ (\ ce {N} \) не имеют сродства к электрону, что означает, что атомы \ (\ ce {N} \) не притягивают электроны. Объясните, как и почему эти факты не противоречат друг другу.
  8. Объясните, почему соединения, образованные из элементов с большой разницей в электроотрицательности, являются ионными.
  9. Объясните, почему ионные соединения имеют гораздо более высокие температуры плавления, чем ковалентные соединения.

Авторы и авторство

физических свойств молекулярных веществ

Размер точки плавления или кипения будет зависеть от силы межмолекулярных сил. Наличие водородных связей поднимет точки плавления и кипения. Чем больше молекула, тем больше возможно притяжений Ван-дер-Ваальса — и им также потребуется больше энергии для разрушения.

 

Растворимость в воде

Большинство молекулярных веществ нерастворимы (или растворимы лишь в очень низкой степени) в воде.Те, которые действительно растворяются, часто вступают в реакцию с водой или способны образовывать водородные связи с водой.

Почему метан, CH 4 , не растворяется в воде?

Проблема не в метане. Метан — это газ, поэтому его молекулы уже разделены — воде не нужно отделять их друг от друга.

Проблема в водородных связях между молекулами воды. Если бы метан растворился, ему пришлось бы пробиться между молекулами воды и, таким образом, разорвать водородные связи.Это стоит разумного количества энергии.

Единственное возможное притяжение между молекулами метана и воды — это гораздо более слабые силы Ван-дер-Ваальса — и при их создании выделяется не так много энергии. Смешивать метан и воду просто энергетически невыгодно.

Почему аммиак NH 3 растворяется в воде?

Аммиак обладает способностью образовывать водородные связи. Когда водородные связи между молекулами воды разрываются, они могут быть заменены эквивалентными связями между молекулами воды и аммиака.

Некоторое количество аммиака также вступает в реакцию с водой с образованием ионов аммония и гидроксид-ионов.

Обратимые стрелки показывают, что реакция не доходит до завершения. В любой момент времени только около 1% аммиака фактически прореагировало с образованием ионов аммония. Растворимость аммиака в основном связана с водородными связями, а не с реакцией.

Другие распространенные вещества, которые легко растворимы в воде, поскольку они могут образовывать водородные связи с молекулами воды, включают этанол (спирт) и сахарозу (сахар).

 

Растворимость в органических растворителях

Молекулярные вещества часто растворяются в органических растворителях, которые сами по себе являются молекулярными. Молекулы растворенного вещества (растворяющееся вещество) и растворителя, вероятно, притягиваются друг к другу силами Ван-дер-Ваальса. Хотя эти притяжения будут нарушены при смешивании, они заменяются аналогичными между двумя разными типами молекул.

 

Электропроводность

Молекулярные вещества не проводят электричество.Даже в тех случаях, когда электроны могут быть делокализованы внутри конкретной молекулы, между молекулами не существует достаточного контакта, чтобы позволить электронам перемещаться через твердое тело или жидкость в целом.

Йод, I 2

Йод — темно-серое кристаллическое вещество с пурпурным паром. Температура плавления: 114 ° C. Температура кипения: 184 ° C. Он очень и очень мало растворим в воде, но легко растворяется в органических растворителях.

Таким образом, йод представляет собой твердое вещество с низкой температурой плавления.Кристалличность предполагает регулярную упаковку молекул.

Структура описывается как гранецентрированная кубическая — это куб из молекул йода с другой молекулой в центре каждой грани.

Ориентацию молекул йода в этой структуре довольно сложно изобразить (не говоря уже о том, чтобы помнить!). Если ваш учебный план и прошлые экзаменационные работы предполагают, что вам необходимо его запомнить, внимательно посмотрите на следующую последовательность диаграмм, показывающих слои.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Прямая корреляция свойств одиночных молекул с объемными механическими характеристиками для биомиметического дизайна полимеров

  • 1

    Ван Кревелен, Д. В. и те Нийенхуис, К. Свойства полимеров: их корреляция с химической структурой; Их численная оценка и прогноз на основе вкладов аддитивных групп 4-е изд. (Elsevier, 2009).

    Книга Google ученый

  • 2

    Хирл, Дж. У.С. Полимеры и их свойства: основы строения и механики Vol. 1 (Halstead Press, 1982).

    Google ученый

  • 3

    Флори П. Дж. Принципы химии полимеров (Cornell Univ. Press, 1953).

    Google ученый

  • 4

    Кетен, С., Сюй, З., Иле, Б. и Бюлер, М. Дж. Наноконфайнмент контролирует жесткость, прочность и механическую вязкость β-листовых кристаллов в шелке. Nature Mater. 9 , 359–367 (2010).

    CAS Статья Google ученый

  • 5

    Мейер, Х. Э. и Говерт, Л. Э. Механические характеристики полимерных систем: взаимосвязь между структурой и свойствами. Прог. Polym. Sci. 30 , 915–938 (2005).

    CAS Статья Google ученый

  • 6

    Yount, W. C., Лавлесс, Д. М. и Крейг, С. Л. Динамика малых молекул и механизмы, лежащие в основе макроскопических механических свойств координационно сшитых полимерных сетей. J. Am. Chem. Soc. 127 , 14488–14496 (2005).

    CAS Статья Google ученый

  • 7

    Серпе М. Дж. И Крейг С. Л. Физико-органическая химия супрамолекулярных полимеров. Langmuir 23 , 1626–1634 (2006).

    Артикул Google ученый

  • 8

    Halary, JL., Lauprêtre, F. & Monnerie, L. Полимерные материалы: макроскопические свойства и молекулярная интерпретация (John Wiley, 2011).

    Google ученый

  • 9

    Яншофф, А., Нейтцерт, М., Обердёрфер, Ю. и Фукс, Х. Силовая спектроскопия молекулярных систем — спектроскопия одиночных молекул полимеров и биомолекул. Angew. Chem. Int. Эд. 39 , 3212–3237 (2000).

    CAS Статья Google ученый

  • 10

    Риф М., Гаутель М., Оестерхелт Ф., Фернандес Дж. М. и Гауб Х. Э. Обратимое разворачивание индивидуальных иммуноглобулиновых доменов тайтина с помощью АСМ. Наука 276 , 1109–1112 (1997).

    CAS Статья Google ученый

  • 11

    Маршалек, П.E. et al. Промежуточные звенья механического разворачивания в модулях титина. Nature 402 , 100–103 (1999).

    CAS Статья Google ученый

  • 12

    Оберхаузер, А. Ф., Маршалек, П. Э., Эриксон, Х. П. и Фернандес, Дж. М. Молекулярная эластичность тенасцина белка внеклеточного матрикса. Nature 393 , 181–185 (1998).

    CAS Статья Google ученый

  • 13

    Келлермайер, М.С. З., Смит, С. Б., Гранзье, Х. Л. и Бустаманте, К. Переходы сворачивания-разворачивания в отдельных молекулах тайтина, характеризуемые с помощью лазерного пинцета. Наука 276 , 1112–1116 (1997).

    CAS Статья Google ученый

  • 14

    Риф М., Гаутель М., Шеммель А. и Гауб Х. Э. Механическая стабильность доменов иммуноглобулина и фибронектина III в мышечном белке тайтине, измеренная с помощью атомно-силовой микроскопии. Biophys. J. 75 , 3008–3014 (1998).

    CAS Статья Google ученый

  • 15

    Carrion-Vazquez, M. et al. Механическое и химическое разворачивание одного белка: сравнение. Proc. Natl Acad. Sci. США 96 , 3694–3699 (1999).

    CAS Статья Google ученый

  • 16

    Ли, Х., Шерер, Н. Ф. и Мессерсмит, П.Б. Одномолекулярная механика адгезии мидий. Proc. Natl Acad. Sci. США 103 , 12999–13003 (2006).

    CAS Статья Google ученый

  • 17

    Лу, Х., Исралевитц, Б., Краммер, А., Фогель, В. и Шультен, К. Разворачивание иммуноглобулиновых доменов тайтина путем моделирования управляемой молекулярной динамики. Biophys. J. 75 , 662–671 (1998).

    CAS Статья Google ученый

  • 18

    Лю, Х.И Шультен, К. Ключевое событие в принудительном разворачивании иммуноглобулиновых доменов тайтина. Biophys. J. 79 , 51–65 (2000).

    CAS Статья Google ученый

  • 19

    Chabria, M., Hertig, S., Smith, M. L. и Vogel, V. Растяжение волокон фибронектина нарушает связывание бактериальных адгезинов за счет физического разрушения эпитопа. Nature Commun. 1 , 135 (2010).

    Артикул Google ученый

  • 20

    Lv, S.и другие. Разработаны биоматериалы, имитирующие механические свойства мышц. Nature 465 , 69–73 (2010).

    CAS Статья Google ученый

  • 21

    Guzmán, D. L., Randall, A., Baldi, P. & Guan, Z. Вычислительные и одномолекулярные исследования сил макродоменного белка выявляют ключевой молекулярный детерминант механической стабильности. Proc. Natl Acad. Sci. США 107 , 1989–1994 (2010).

    Артикул Google ученый

  • 22

    Роланд, Дж. Т. и Гуан, З. Синтез и исследования одной молекулы четко определенного биомиметического модульного многодоменного полимера с использованием модуля пептидомиметических β-листов. J. Am. Chem. Soc. 126 , 14328–14329 (2004).

    CAS Статья Google ученый

  • 23

    Guan, Z. et al. Модульная доменная структура: биомиметическая стратегия для современных полимерных материалов. J. Am. Chem. Soc. 126 , 2058–2065 (2004).

    CAS Статья Google ученый

  • 24

    Zhang, W., Zou, S., Wang, C. & Zhang, X. Удлинение одиночной полимерной цепи поли ( N -изопропилакриламида) и поли (акриламида) с помощью атомно-силовой микроскопии. J. Phys. Chem. B 104 , 10258–10264 (2000).

    CAS Статья Google ученый

  • 25

    Янке, М.и другие. Механически связанные димеры каликс [4] арена обнаруживают обратимый разрыв связи под действием силы. Nature Nanotech. 4 , 225–229 (2009).

    CAS Статья Google ученый

  • 26

    Ортис, К. и Хадзиоанну, Г. Энтропическая эластичность одиночных полимерных цепей поли (метакриловой кислоты), измеренная с помощью атомно-силовой микроскопии. Макромолекулы 32 , 780–787 (1999).

    CAS Статья Google ученый

  • 27

    Zou, S., Schönherr, H. & Vancso, G.J. Силовая спектроскопия четверных димеров с водородными связями с помощью АСМ: динамический разрыв связи и наложение температуры и времени молекул. J. Am. Chem. Soc. 127 , 11230–11231 (2005).

    CAS Статья Google ученый

  • 28

    Sijbesma, R.P. et al. Обратимые полимеры, образованные из самокомплементарных мономеров с использованием четверной водородной связи. Наука 278 , 1601–1604 (1997).

    CAS Статья Google ученый

  • 29

    Бейер, Ф. Х., Сиджбесма, Р. П., Коойман, Х., Спек, А. Л. и Мейер, Э. У. Сильная димеризация уреидопиримидонов посредством четырехкратной водородной связи. J. Am. Chem. Soc. 120 , 6761–6769 (1998).

    CAS Статья Google ученый

  • 30

    Кушнер, А.М., Габучян, В., Джонсон, Э.Г.& Гуан, З. Биомиметический дизайн обратимо разворачивающегося сшивающего агента для улучшения механических свойств трехмерных сетевых полимеров. J. Am. Chem. Soc. 129 , 14110–14111 (2007).

    CAS Статья Google ученый

  • 31

    Кушнер А.М., Фосслер Дж. Д., Уильямс Г. А. и Гуан З. Биомиметический модульный полимер с жесткими и адаптивными свойствами. J. Am. Chem. Soc. 131 , 8766–8768 (2009).

    CAS Статья Google ученый

  • 32

    Söntjens, S.H.M., Sijbesma, R.P., van Genderen, M.HP. & Meijer, E.W. Стабильность и время жизни димеров 2-уреидо-4 [1H] -пиримидинона с четырьмя водородными связями. J. Am. Chem. Soc. 122 , 7487–7493 (2000).

    Артикул Google ученый

  • 33

    Хентшель, Дж., Кушнер, А. М., Циллер, Дж.И Гуан З. Самовосстанавливающиеся супрамолекулярные блок-сополимеры. Angew. Chem. Int. Эд. 51 , 10561–10565 (2012).

    CAS Статья Google ученый

  • 34

    Wagener, K. B., Boncella, J. M. & Nel, J. G. Полимеризация метатезиса ациклического диена (ADMET). Макромолекулы 24 , 2649–2657 (1991).

    CAS Статья Google ученый

  • 35

    Риф, М., Паскуаль, Дж., Сарасте, М. и Гауб, Х. Э. Одномолекулярная силовая спектроскопия повторов спектрина: низкие силы разворачивания в пучках спиралей. J. Mol. Биол. 286 , 553–561 (1999).

    CAS Статья Google ученый

  • 36

    Бустаманте, К., Марко, Дж. Ф., Сиггиа, Э. Д. и Смит, С. Энтропическая эластичность ДНК λ -фага. Наука 265 , 1599–1600 (1994).

    CAS Статья Google ученый

  • 37

    Эмбрехтс, А., Schönherr, H. & Vancso, G.J. Сила разрыва одинарных супрамолекулярных связей в ассоциативных полимерах с помощью АСМ при фиксированных скоростях нагружения. J. Phys. Chem. B 112 , 7359–7362 (2008).

    CAS Статья Google ученый

  • 38

    Белл, Г. I. Модели специфической адгезии клеток к клеткам. Наука 200 , 618–627 (1978).

    CAS Статья Google ученый

  • 39

    Эванс, Э.И Ричи, К. Динамическая прочность молекулярных адгезионных связей. Biophys. J. 72 , 1541–1555 (1997).

    CAS Статья Google ученый

  • 40

    Diezemann, G. & Janshoff, A. Спектроскопия динамических сил: Анализ динамики обратимого разрыва связей. J. Chem. Phys. 129 , 084904 (2008).

    Артикул Google ученый

  • 41

    Рэй, К., Браун, Дж. Р. и Ахремитчев, Б. Б. Исправление систематических ошибок в силовой спектроскопии одиночных молекул с помощью полимерных связок с помощью атомно-силовой микроскопии. J. Phys. Chem. B 111 , 1963–1974 (2007).

    CAS Статья Google ученый

  • 42

    Коуи, Дж. М. Г. Полимеры: химия и физика современных материалов 3-е изд. (CRC Press, 2007).

    Книга Google ученый

  • 43

    Brostow, W. Характеристики пластмасс (Hanser / Gardner, 2000).

    Google ученый

  • 44

    Холден, Г., Кричелдорф, Х. Р. и Квирк, Р. П. Термопластические эластомеры 1–540 3-е издание (Hanser / Gardner, 2004).

    Google ученый

  • 45

    Крамерс, Х.А. Броуновское движение в силовом поле и диффузионная модель химических реакций. Physica (Утрехт) 7 , 284–304 (1940).

    CAS Статья Google ученый

  • 46

    Гласстон С., Лейдлер К. и Эйринг Х. Теория скоростных процессов 480–483 (McGraw-Hill, 1941).

    Google ученый

  • 47

    Ротлинг, Дж. А. Поведение поли (этилметакрилата) при пределе текучести в области стеклования. Полимер 6 , 615–619 (1965).

    CAS Статья Google ученый

  • 48

    Риф, М., Фернандес, Дж. М. и Гауб, Х. Э. Упруго связанные двухуровневые системы как модель растяжимости биополимера. Phys. Rev. Lett. 81 , 4764–4767 (1998).

    CAS Статья Google ученый

  • 49

    Бенишоу И. и Гивли С. Скрытая изобретательность в структуре тайтина. Заявл. Phys. Lett. 98 , 0 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Молекула — Характеристики — Атомы, свойства, водород и кислород

    Все молекулы имеют определенную массу и размер , которые зависят от атомов, из которых состоит молекула.Масса равна сумме масс всех отдельных атомов в молекулярной структуре. Размер зависит не только от атомных компонентов молекулы, но также от расположения атомов внутри молекулы и от того, насколько плотно они соединены друг с другом.

    Когда атомы соединяются с другими атомами, образуя молекулы, химические и физические свойства соединений отличаются от свойств элементов, из которых они были образованы. К ним относятся такие вещи, как , цвет, , твердость, проводимость, состояние (твердое, жидкое, газообразное) и т. Д.Когда буквы используются для образования новых слов, таких как собака, Бог и добро, из букв g, o и d, значения новых слов невозможно обнаружить, наблюдая или изучая буквы g, o и d или другие. слова. Образовавшиеся новые слова имеют новые и разные значения. Это также верно, когда образуются новые молекулы. Свойства новых веществ нельзя определить, изучая свойства элементов, из которых они образованы, или свойства других подобных молекул.

    Молекулярная формула для сахара : C 6 H 12 O 6 , что указывает на то, что молекула сахара состоит из шести атомов углерода, 12 атомов водорода и шести атомов углерода. атомы кислорода.Углерод — это элемент черного цвета, который часто встречается в виде порошка. Он хорошо известен как основной компонент угля или сажа, которая появляется при сожжении. Рис. 3. Структурные формулы помогают различать вещества, имеющие идентичные молекулярные формулы, такие как этиловый спирт и метиловый эфир. Иллюстрация Ганса и Кэссиди. Предоставлено Gale Group. тост. Чистый водород — это самый легкий из известных газов, а чистый кислород — это газ, присутствующий в воздухе и необходимый живым существам для дыхания и для горения огня.Когда эти три вещества химически объединяются в соотношении C 6 H 12 O 6 с образованием сахара, который представляет собой белое кристаллическое твердое вещество, имеющее сладкий вкус и растворимое в воде, Свойства сахара не похожи на свойства чистых элементов, из которых он был образован. Однако, если сахар вступает в реакцию в экстремальных условиях (химическое изменение), исходные вещества, углерод, водород и кислород могут быть восстановлены.

    Атомы водорода и кислорода могут соединяться, образуя молекулы воды.И снова свойства воды (часто используемой для тушения пожаров) полностью отличаются от свойств газообразного кислорода (необходимого для поддержания горения). Эти же два элемента, водород и кислород, также образуют другое общее вещество, перекись водорода , с молекулярной формулой H 2 O 2 . Перекись водорода в неразбавленном виде может вызвать серьезные ожоги. В разбавленном виде часто используется для отбеливания и в качестве антисептика при очищении ран.Эти свойства полностью отличаются от свойств элементов, из которых он сделан, водорода и кислорода, а также от аналогичной молекулы воды. Вы не могли варить картофель в H 2 O 2 вместо H 2 O без смертельных последствий. Свойства перекиси водорода сильно отличаются от свойств водорода, кислорода и воды, потому что каждое из веществ имеет свое определенное количество, вид и расположение атомов.

    Хотя молекулярная формула дает основную информацию о том, какие атомы соединены вместе и сколько атомов каждого типа, эта формула не дает всей картины. Также необходимо учитывать расположение атомов внутри молекулы, поскольку при разном расположении одних и тех же атомов в молекуле образуются разные вещества. Молекулярные формулы для этилового спирта (образованного в результате ферментации зерен и плодов и присутствуют во всех винах и ликерах) и метилового эфира (иногда используется в холодильнике, но не тот же эфир, который используется в качестве анестетика) идентичны, Рисунок 4.Модель электронного моря: (а) представляет собой щелочной металл с одним валентным электроном, а (б) представляет собой щелочноземельный металл с двумя валентными электронами. Иллюстрация Ганса и Кэссиди. Предоставлено Gale Group. C 2 H 6 O. Однако химические свойства очень разные. Это потому, что атомы в молекуле расположены по-разному. Молекулярные формулы не могут передать эту информацию. Чтобы показать расположение молекул, необходимы различные виды формул, называемые структурными формулами.В случае этилового спирта атом кислорода присоединен к атому углерода и к атому водорода. Но в случае метилового эфира атом кислорода присоединен к двум атомам углерода. Это различное расположение атомов внутри молекулы отвечает за придание соединению различных химических свойств. Таким образом, новые химические свойства зависят не только от того, сколько атомов каждого типа соединилось вместе, но и от того, как эти атомы расположены внутри молекулы.

    Большая часть исследований в области химии сегодня связана с образованием новых веществ, пытаясь изменить атомы в молекуле или расположение тех же атомов.Последнее является особенно важной областью, когда расположение атомов изменяется с того, что называется правой молекулой, на левую молекулу или наоборот. Такие молекулы, как эти, ведут себя именно так из-за своей формы, как перчатки из-за их формы подходят как для правой, так и для левой руки. Некоторые из текущих исследований новых обезжиренных коммерческих продуктов, таких как мороженое или кулинарное масло, включают правосторонние или левосторонние версии исходных молекул жира. Эти зеркальные изображения исходных молекул не могут быть поглощены или использованы организмом из-за другой формы молекулы.Тем не менее, поскольку они часто очень похожи, достаточное количество исходных свойств жира остается неизменным, чтобы сделать его полезным в качестве заменителя. Пока что их вкус и неспособность выдерживать высокие температуры при приготовлении являются проблематичными.

    Точно так же многие сильнодействующие лекарства, используемые сегодня, имеют как праворукие, так и левосторонние версии. Большинство лекарств содержат обе формы молекул, потому что эта смесь дешевле и проще в производстве. Однако часто только одна версия дает желаемый эффект, а другая часто вызывает нежелательные побочные эффекты.Хотя химически намного сложнее и дороже производить лекарства, предназначенные только для одной руки, пациенты, нуждающиеся в этих лекарствах, обнаруживают, что более чистую, одноручную версию гораздо легче переносить.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *