Moleküle (Eigenschaften von gebundenen Atomen) PDF

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Eigenschaften von gebundenen Atomen...

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Moleküle: Eigenschaften von gebundenen Atomen Das Konzept der chemischen Bindung liegt im Kern der Chemie; es ist es, was etwa einhundert Elementen ermöglicht, die mehr als fünfzig Millionen bekannten chemischen Substanzen zu bilden, aus denen unsere physische Welt besteht. Bevor wir auf die Theorie der chemischen Bindung eingehen, müssen wir definieren, worüber wir sprechen: Was ist eine chemische Bindung? Und welche beobachtbaren Eigenschaften können wir verwenden, um eine Art von Bindung von einer anderen zu unterscheiden? Dies ist der erste von zehn Lektionen, die Ihnen helfen werden, sich mit den Grundbegriffen dieses sehr breiten Themas vertraut zu machen.

1 Was ist eine chemische Bindung?

Wahrscheinlich haben Sie vor einiger Zeit gelernt, dass chemische Bindungen die Atome zusammenhalten, um die komplizierteren Aggregate zu bilden, die wir als Moleküle und ausgedehnte Festkörper kennen. Chemiker sprechen ständig von Bindungen und zeichnen Bilder von ihnen als Linien, die sich mit Atomsymbolen verbinden. Lehrer identifizieren sie oft als die kleinen Stäbchen, die die Sphären, die Atome repräsentieren, in einem molekularen Plastikmodell verbinden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass wir manchmal chemische Bindungen als "Dinge" betrachten. Aber niemand hat jemals eine chemische Bindung gesehen, und es gibt keinen Grund zu glauben, dass sie wirklich als physische Objekte existieren.

"Manchmal sieht es für mich so aus, als ob eine Bindung zwischen zwei Atomen so real, so greifbar, so freundlich geworden ist, dass ich sie fast sehen kann. Dann erwache ich mit einem kleinen Schock, denn eine chemische Bindung ist -1-

keine reale Sache Es gibt niemanden, der jemals einen gesehen hat. Niemand kann es jemals. Es ist eine Erfindung unserer eigenen Vorstellungskraft. " Coulson war ein englischer theoretischer Chemiker, der eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Quantentheorien der chemischen Bindung spielte.

Es ist nützlicher, eine chemische Bindung als einen Effekt zu betrachten, der bestimmte Atome dazu bringt, sich zu dauerhaften Strukturen zu vereinigen, die einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen.

Obwohl die "chemische Bindung" nur eine praktische Fiktion ist, liegt die chemische Bindung, die zur Unendlichkeit der Substanzen führt (31 Millionen in der Mitte des Jahres 2007), im Zentrum der Chemie. Die Kräfte, die gebundene Atome zusammenhalten, sind im Grunde genommen dieselben elektrostatischen Anziehungen, die die Elektronen eines Atoms an seinen positiv geladenen Kern binden;

HINWEIS: CHEMISCHE BONDS

Eine chemische Bindung tritt auf, wenn ein oder mehrere Elektronen gleichzeitig an zwei Kerne angezogen werden.

Dies ist die wichtigste Tatsache über die chemische Bindung, die Sie kennen sollten, aber es ist an und für sich keine praktikable Theorie der Bindung, weil sie nicht die Bedingungen beschreibt, unter denen Bindungen stattfinden, noch macht sie nützliche Vorhersagen über die Eigenschaften der gebundenen Atome.

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Was ist ein Molekül?

Selbst am Ende des 19. Jahrhunderts, als Verbindungen und ihre Formeln lange Zeit in Gebrauch waren, bezweifelten einige prominente Chemiker, dass Moleküle (oder Atome) mehr als ein geeignetes Modell waren. Moleküle wurden plötzlich im Jahr 1905 wahr, als Einstein zeigte, dass die Brownsche Bewegung, die unregelmäßigen mikroskopischen Bewegungen von winzigen Pollenkörnern, die in Wasser schwimmen, direkt auf Zusammenstöße mit molekülgroßen Teilchen zurückzuführen ist. Die meisten Menschen denken an Moleküle als die Teilchen, die entstehen, wenn Atome auf irgendeine Weise miteinander verbunden werden. Dies vermittelt das allgemeine Bild, aber eine etwas bessere Definition, die wir in diesen Lektionen verwenden werden, ist:

Ein Molekül ist ein Aggregat von Atomen, das charakteristische beobachtbare Eigenschaften besitzt Eine restriktivere Definition unterscheidet zwischen einem "wahren" Molekül, das als unabhängiges Teilchen existiert, und einem ausgedehnten Körper, der nur durch seine einfachste Formel dargestellt werden kann. Methan, CH4, ist ein Beispiel für Ersteres, während Natriumchlorid, das keine einzelnen NaClEinheiten enthält, der bekannteste verlängerte Feststoff ist. Aber weil wir die chemische Bindung auf die allgemeinste Art betrachten wollen, werden wir diese Unterscheidung hier nur in einigen speziellen Fällen vermeiden. Um diese "Aggregat der Atome" -Definition zu betonen, werden wir in dieser Lektion häufig Begriffe wie "chemische Spezies" und "Strukturen" anstelle von "Molekülen" verwenden.

Die oben beschriebene Definition ist eine operationale; Das hängt von unserer Fähigkeit ab, die Eigenschaften des Moleküls zu beobachten und zu messen. Dies bedeutet eindeutig, dass das Molekül seine Identität für eine ausreichende Zeitspanne beibehalten muss, um die Messungen durchzuführen. Für die meisten Moleküle, mit denen sich die Chemie beschäftigt, bereitet dies keine -3-

Schwierigkeiten. Aber es kommt vor, dass einige Strukturen, für die wir Formeln wie He2 schreiben können, so kurze Leben haben, dass keine signifikanten Eigenschaften beobachtet wurden. Bis zu einem gewissen Grad hängt das, was wir als Molekül betrachten, von der Technologie ab, mit der wir sie beobachten, und dies wird sich notwendigerweise mit der Zeit ändern.

Struktur

Und welche Eigenschaften kennzeichnen eine bestimmte Molekülart und unterscheiden sie von anderen? So wie Immobilien nach "Standort, Standort, Ort" beurteilt werden, wird die Identität einer chemischen Spezies durch ihre Struktur definiert. Im grundlegendsten Sinne wird die Struktur eines Moleküls durch die Identität seiner Atome und die Reihenfolge, in der sie miteinander verbunden sind, spezifiziert, dh durch die Bindungskonnektivität. Dies wiederum definiert die Bindungsgeometrie - die räumliche Beziehung zwischen den gebundenen Atomen.

Die Bedeutung der Bindungskonnektivität wird durch die Strukturen der beiden Verbindungen Ethanol und Dimethylether verdeutlicht, die beide die einfachste Formel C2H6O haben.

Strukturen ohne Moleküle: Stabilität und Reaktivität

Die genaue Definition der Bindungsenergie wird in einer anderen Lektion beschrieben und ist hier nicht wichtig. Für den Moment muss man nur wissen, dass in jeder stabilen Struktur die potentielle Energie seiner Atome niedriger ist als die der einzelnen isolierten Atome. So die Bildung von Methan aus seinen gasförmigen Atomen (eine Reaktion, die unter gewöhnlichen Bedingungen nicht beobachtet werden kann, für die aber die Energie aus indirektem Beweis bekannt ist)

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4H g + C g → CH4

wird von der Freisetzung von Wärme begleitet und ist somit ein exothermer Prozess. Die Menge der freigesetzten Wärme hängt mit der Stabilität des Moleküls zusammen. Je kleiner die freigesetzte Energiemenge ist, desto leichter kann das Molekül Wärmeenergie aus der Umgebung absorbieren, was die obige Reaktion umgekehrt und zur Zersetzung des Moleküls führt. Ein hochstabiles Molekül wie Methan muss Temperaturen von mehr als 1000 ° C ausgesetzt werden, damit eine signifikante Zersetzung stattfindet. Aber das Edelgasmolekül KrF2 ist so schwach gebunden, dass es sich bereits bei 0 ° C zersetzt und die Struktur He2 wurde nie beobachtet. Wenn eine bestimmte Anordnung von Atomen zu instabil ist, um ihre Eigenschaften bei irgendeiner erreichbaren Temperatur zu zeigen, dann qualifiziert sie sich nicht dafür, ein Molekül genannt zu werden.

Es gibt viele Moleküle, die energetisch stabil genug sind, um das oben genannte Kriterium zu erfüllen, aber sie sind so reaktiv, dass ihre Lebensdauern zu kurz sind, um ihre Beobachtung zu ermöglichen. Das Molekül CH3, Methyl, ist ein gutes Beispiel: Es kann durch elektrische Entladung in gasförmigem CH4 gebildet werden, aber es ist so reaktiv, dass es sich innerhalb weniger Kollisionen mit fast jedem Molekül (sogar einem anderen CH3) verbindet. Erst mit der Entwicklung spektroskopischer Methoden (bei denen ein Molekül durch die Wellenlänge des Lichts charakterisiert ist, das es absorbiert oder emittiert) wurde Methyl als stabiles, wenn auch schamlos promiskuitives Molekül erkannt, das bei vielen chemischen Prozessen von Flammen eine wichtige Rolle spielt zur Atmosphärenchemie.

Wie wir chemische Strukturen darstellen

Chemische Arten werden traditionell durch Strukturformeln wie die für Ascorbinsäure (Vitamin C) dargestellt, die wir hier zeigen. Die Linien repräsentieren natürlich die "chemischen Bindungen" des Moleküls. Noch -5-

wichtiger ist, dass die Strukturformel eines Moleküls seine Konnektivität definiert.

Eine Einschränkung solcher Formeln besteht darin, dass sie auf einem zweidimensionalen Papier oder einem zweidimensionalen Bildschirm gezeichnet sind, während die meisten Moleküle eine dreidimensionale Form aufweisen. Die keilförmigen Linien in der Strukturformel sind ein Weg, um anzuzeigen, welche Bindungen sich über oder unter der Betrachtungsebene erstrecken. Es wird Ihnen wahrscheinlich erspart bleiben, diese Konvention zu lernen, bis Sie in die zweite Chemie kommen. Dreidimensionale Modelle (entweder echte plastische oder Bilder, die Perspektive und Schattierung enthalten) zeigen viel mehr über die Struktur eines Moleküls. Die Ball-and-Stick- und raumfüllenden Darstellungen sind weit verbreitet, aber jede hat ihre Grenzen.

Aber wie würde ein Molekül "wirklich" aussehen, wenn man es durch ein magisches Mikroskop sehen könnte? Eine mögliche Antwort wäre diese computergenerierte Ansicht von Nikotin. Zuerst mag man meinen, dass es mehr wie ein Stück abstrakter Skulptur als ein Molekül aussieht, aber es offenbart die Form der negativen Ladungswolke, die die Ansammlung von Atomkernen und Atomkernen umhüllt. Dies kann sehr wichtig sein, um zu verstehen, wie das Molekül mit ähnlichen Ladungswolken interagiert, die Lösungsmittel- und Biorezeptormoleküle kleiden.

Endlich bekommen wir einen zu sehen! IBM-Forschern in der Schweiz ist es gelungen, ein reales Molekül mit einer atomkraftmikroskopischen Technik abzubilden, bei der eine atomdünne metallische Sonde so leicht über die Oberfläche eines immobilisierten Pentacenmoleküls gezogen wird, das nahezu auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. Um die Bildqualität zu verbessern, wurde ein Kohlenmonoxidmolekül am Ende der Sonde angeordnet. Das von der AFM-Sonde erzeugte Bild wird ganz unten angezeigt. Was tatsächlich abgebildet wird, ist die Oberfläche der Elektronenwolken des Moleküls, die aus fünf kondensierten hexagonalen Ringen von Kohlenstoffatomen mit Wasserstoff an seiner Peripherie besteht. Die winzigen Erhebungen, die diesen -6-

Wasserstoffatomen entsprechen, bestätigen die bemerkenswerte Auflösung dieses Experiments.

Visualisierung von Molekülstrukturen Der Zweck, eine molekulare Struktur in einer bestimmten Art und Weise darzustellen, ist nicht, "Realismus" (was auch immer das sein mag) zu erreichen, sondern eher nützliche Informationen zu vermitteln. Moderne ComputerRendering-Software bezieht ihre Basisdaten aus verschiedenen Arten von Standard-Strukturdatenbanken, die entweder aus experimentellen Röntgenstreuungsdaten zusammengestellt werden oder aus der Theorie berechnet werden.

Wie oben erwähnt, ist es oft wünschenswert, die "molekulare Oberfläche" zu zeigen - den Schleier der negativen Ladung, der in den Valenzelektronen der Atome entsteht, aber dazu neigt, sich über das gesamte Molekül auf eine Entfernung auszubreiten, die van der signifikant beeinflussen kann Waals Wechselwirkungen mit benachbarten Molekülen. Es ist oft hilfreich, Bilder zu überlagern, die die Atome innerhalb des Moleküls darstellen, skaliert auf ihre durchschnittlichen kovalenten Radien und die "Bindungslinien" zu zeichnen, die ihre Konnektivität ausdrücken.

Die Kenntnis der Eigenschaften molekularer Oberflächen ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis jedes Prozesses, der davon abhängt, dass ein Molekül in physikalischem Kontakt mit einem anderen bleibt. Die Katalyse ist ein Beispiel, aber eines der Hauptinteressen in der heutigen Zeit ist die biologische Signalgebung, bei der ein relativ kleines Molekül mit einer Rezeptorstelle an einem viel größeren, oft einem Protein, "bindet" oder "dockt". Ausgefeilte Software für das Molecular Modeling, wie sie für die Erstellung dieser Bilder verwendet wurde, ist heute ein wichtiges Werkzeug in vielen Bereichen der Forschungsbiologie.

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Die Visualisierung sehr großer Moleküle wie Kohlenhydrate und Proteine, die Zehntausende von Atomen enthalten können, wirft offensichtliche Probleme auf. Die übliche Technik besteht darin, die Hauptteile des Moleküls zu vereinfachen, wobei die Hauptarten von ausgedehnten Struktureinheiten durch Formen wie Bänder oder Röhren dargestellt werden, die zur Anpassung an ihre Konformationen verdreht oder gebogen werden. Diese werden dann gesammelt, um die geometrischen Beziehungen der verschiedenen Einheiten innerhalb der Gesamtstruktur aufzuzeigen. Einzelne Atome sind, wenn überhaupt, auf diejenigen von besonderem Interesse beschränkt.

Die Untersuchung der Oberflächeneigenschaften großer Moleküle ist entscheidend, um zu verstehen, wie Proteine, Kohlenhydrate und DNA mit kleineren Molekülen wechselwirken, insbesondere solche, die beim Transport von Ionen und kleinen Molekülen durch die Zellmembranen, dem Immunsystemverhalten und Signaltransduktionsprozessen wie "Anschalten" von Genen.

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