Представление структуры молекул

Молекулы состоят из атомов, расположение которых в молекуле передаёт структурная формула. Молекулы белков и некоторых искусственно синтезированных соединений могут содержать сотни тысяч атомов. Отдельно рассматриваются макромолекулы полимеров.

Молекулы являются объектом изучения теории строения молекул, квантовой химии, аппарат которых активно использует достижения квантовой физики, в том числе релятивистских её разделов.

Часто химические связи образуются за счёт электронов, расположенных на разных атомных орбиталях (например, s – и р – орбитали). Несмотря на это, связи оказываются равноценными и расположены симметрично, что обеспечено гибридизацией атомных орбиталей.

Гибридизация орбиталей - это изменение формы некоторых орбиталей при образовании ковалентной связи для достижения более эффективного перекрывания орбиталей.

В результате гибридизации появляются новые гибридные орбитали, которые ориентируются в пространстве таким образом, чтобы после их перекрывания с орбиталями других атомов образующиеся электронные пары оказались максимально удалёнными друг от друга. Это сводит к минимуму энергию отталкивания электронов в молекуле.

Гибридизация не является реальным процессом. Это понятие введено для описания геометрической структуры молекулы. Форма частиц, возникающих при образовании ковалентных связей, в которых участвуют гибридные атомные орбитали, зависит от числа и типа этих орбиталей. При этом σ – связи создают жёсткий «скелет» частицы:

Орбитали участвующие в гибридизации	Тип гибридизации	Пространственная форма молекулы	Примеры
s, p	sp – гибридизация	Линейная	BeCl2 CO2 C2H2 ZnCl2 BeH2 Две sp - орбитали могут образовывать две σ - связи (BeH2, ZnCl2). Еще две p- связи могут образоваться, если на двух p - орбиталях, не участвующих в гибридизации, находятся электроны (ацетилен C2H2).
s, p, p	sp2 – гибридизация	Треугольная (плоская тригональная)	BH3 BF3 C2H4 AlCl3 Если связь образуется при перекрывании орбиталей по линии, соединяющей ядра атомов, она называется σ - связью. Если орбитали перекрываются вне линии, соединяющей ядра, то образуется π - связь. Три sp2- орбитали могут образовывать три σ - связи (BF3, AlCl3). Еще одна связь (π - связь) может образоваться, если на p- орбитали, не участвующей в гибридизации, находится электрон (этилен C2H4).
s, p, p, p	sp3 – гибридизация	Тетраэдрическая	СH4 NH4+ PO43- BF4-

На практике вначале экспериментально устанавливают геометрическую структуру молекулы, после чего описывают тип и форму атомных орбиталей, участвующих в её образовании. Например, пространственная структура молекул аммиака и воды близка к тетраэдрической, но угол между связями в молекуле воды равен 104, 5˚, а в молекуле NH₃ – 107, 3˚.

Аммиак NH₃

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине. Атом азота находится в sp³- гибридном состоянии; из четырех гибридных орбиталей азота три участвуют в образовании одинарных связей N–H, а четвертая sp³ - гибридная орбиталь занята неподеленной электронной парой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH₄⁺, а также является причиной отклонения от тетраэдрического угла в строении

Вода H₂O

Молекула воды имеет угловое строение: представляет собой равнобедренный треугольник с углом при вершине 104, 5°.

Атом кислорода находится в sp³- гибридном состоянии; из четырех гибридных орбиталей кислорода две участвуют в образовании одинарных связей О–H, а две другие sp³ - гибридные орбитали заняты неподеленными электронными парами, их действие является причиной уменьшения угла от 109, 28˚ до 104, 5°.

7??

Свойства органических веществ зависят не только от их состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле.

Изомеры – это вещества, которые имеют одинаковый состав и одинаковую молярную массу, но различное строение молекул, а потому обладающие разными свойствами.

Научное значение теории химического строения:

1) углубляет представления о веществе;

2) указывает путь к познанию внутреннего строения молекул;

3) дает возможность понять накопленные в химии факты; предсказать существование новых веществ и найти пути их синтеза.

Всем этим теория в огромной степени способствовала дальнейшему развитию органической химии и химической промышленности.

Немецкий ученый А. Кекуле высказывал мысль о соединении атомов углерода друг с другом в цепи.

Учение об электронном строении атомов.

Особенности учения об электронном строении атомов: 1) позволило понять природу химической связи атомов; 2) выяснить сущность взаимного влияния атомов.