Молекула

Молекула (франц. molecule, від лат. moles - маса) - найменша, здатна до самостійного існування частинка речовини, що володіє його хімічними властивостями.
Вчення про будову і властивості молекул набуло винятковий інтерес для пізнання субмикроскопической структури клітин і тканин, а також механізму біологічних процесів на молекулярному рівні. Великі успіхи у вивченні структури М. і, зокрема, М. таких біополімерів, як білки і нуклеїнові кислоти, показали, що найважливіші функції цих речовин в організмах здійснюються на рівні окремих молекул і тому повинні досліджуватися як молекулярні явища. Встановлено, наприклад, що такі функції білків, як ферментативна, структурна, скорочувальна, імунна, транспортна (оборотне зв'язування і перенесення життєво необхідних речовин) розігруються на молекулярному рівні і безпосередньо визначаються структурою і властивостями М. цих речовин. Спадковість і мінливість організмів пов'язані з особливою структурою і властивостями М. нуклеїнових кислот, в яких зафіксована вся генетична інформація, необхідна для синтезу білків організму. Невеликі відхилення в структурі або складі молекул ряду біологічно важливих речовин або зміни в молекулярному механізмі деяких обмінних процесів є причиною виникнення ряду захворювань (наприклад, серпоподібноклітинна анемія, спадкова галактоземія, цукровий діабет тощо), які називаються молекулярними хворобами.
Молекула кожної речовини складається з певного числа атомів (див.) одного хімічного елемента (проста речовина) або різних елементів (складна речовина), об'єднаних за допомогою хімічних (валентних) зв'язків. Склад М. висловлюють хімічною формулою, в якій знаки елементів вказують вид атомів, що утворюють М., а числа, які стоять праворуч внизу, показують, скільки атомів кожного елемента, що входить до складу М. Так, з хімічної формули глюкози СвН12Ое випливає, що М. глюкози складається з 6 атомів вуглецю, 12 атомів водню і 6 атомів кисню. Молекули інертних газів і парів деяких металів одноатомны. Це найпростіші М. Найбільш складними є М. білків (див.), нуклеїнових кислот (див.) і інших біополімерів, що складаються з багатьох тисяч атомів.
Для знаходження хімічної формули М. необхідно визначити приблизний молекулярний вага (див.) досліджуваної речовини і найпростішу (емпіричну) формулу його М. Останню виводять з процентного складу даної речовини і атомних ваг (див.) хімічних елементів, що входять до складу цієї речовини. Так, наприклад, хімічним аналізом встановлено, що бензол складається з 92,26% вуглецю і 7,74% водню. Звідси випливає, що відношення числа атомів вуглецю до числа атомів водню в молекулі бензолу дорівнює:
де 12,011 і 1,008 - атомні ваги вуглецю і водню відповідно. Отже, найпростіша формула бензолу повинна бути СН. Зіставляючи найпростішу формулу бензолу з його приблизними молекулярною вагою (78,1), знайденим досвідченим шляхом, визначають його дійсну, або дійсну, формулу З6Н6.
Розміри М. виражають в А. Так, наприклад, діаметр М. води, припускаючи, що вона має сферичну форму, становить 3,8 А. М. високомолекулярних речовин значно більше, наприклад лінійні розміри великих і малих осей паличковидних М. фібриногену бика рівні 700 і 40 А, а вірусу тютюнової мозаїки - 2800 і 152 відповідно. Мірою відносної маси молекули є молекулярний вага (див.), величина якого коливається від декількох одиниць до мільйонів.
Послідовність, в якій атоми пов'язані М. (хімічна будова М. по А. М. Бутлерову), зображують так званими структурними формулами. Наприклад, хімічна будова оцтової кислоти З2Н4O2 представляють такою структурною формулою:
де кожна лінія позначає одиницю валентності (див.), число ліній, що підходять до атому, одно його валентності в цьому з'єднанні.
Хімічна будова М., находимое на підставі визначення молекулярної ваги, хімічного складу і вивчення хімічних властивостей досліджуваного речовини і остаточно підтверджується його синтезом з речовин, хімічна будова яких відомо, є важливим чинником, що визначає властивості речовини, зокрема його фармакологічна дія, токсичність та біологічні функції. Відмінність у властивостях ізомерів (див. Ізомерія) є прикладом залежності властивостей речовин від хімічної будови їх молекул. Атомний склад М. ізомерів однаковий, так, наприклад, диметиловий ефір і етиловий спирт, будучи ізомерами, мають однакові хімічні формули З2Н6O, однак структурні формули їх різні:
чим і пояснюються різні їх властивості.
Здатність атома утворювати те чи інше число хімічних зв'язків з іншими атомами в М. називають валентністю даного атома. При утворенні хімічної (валентній) зв'язку відбувається перегрупування зовнішніх (валентних) електронів взаємодіючих атомів, в результаті якої зовнішні електронні оболонки атомів у молекулі набувають стійку структуру, властиву атомів інертних газів (див.) і складається зазвичай з восьми електронів (електронний октет). Залежно від способу перегрупування валентних електронів розрізняють кілька основних типів хімічних зв'язків.
Іонна (электровалентная) зв'язок виникає між атомами елементів, сильно розрізняються за хімічним властивостям, наприклад між атомами лужних металів і атомами галогенів. При цьому атом металу віддає електрон атома галогену (рис. 1).

Рис. 1. Освіта молекули хлористого натрію.

Атом, що віддає електрон, стає позитивно зарядженим іоном. Атом, що приймає електрон, стає негативно зарядженим іоном. Виникають таким шляхом протилежно заряджені іони взаємно притягуються, утворюючи молекулу. М. і з'єднання з іонними зв'язками (наприклад, солі та оксиди металів першої і другої груп періодичної системи елементів) називаються гетерополярными. Іонна зв'язок характеризується великою міцністю (енергія зв'язку), тобто роботою, необхідної для розриву молекули на окремі іони.
Ковалентний (атомна) зв'язок виникає при взаємодії однакових або близьких за властивостями атомів. При цьому кожен із з'єднуються атомів віддає по одному або по кілька валентних електронів на утворення пари (або декількох пар електронів), яка стає спільною для обох атомів. Узагальнена пара електронів, охоплюючи в своєму русі ядра з'єднуються атомів, утримує їх один біля іншого. До М. з ковалентним зв'язком відносяться М. простих газів, оксидів і водневих з'єднань не металів і багатьох органічних сполук:

Точками позначені електрони, що знаходяться на зовнішніх електронних оболонках атомів, хімічними знаками - ядра атомів з усіма електронними оболонками, крім зовнішніх. Пара електронів, які зв'язують атоми, відповідає межі валентної в звичайних структурних формулах.
Молекули, в яких електричні центри тяжкості негативних (електрони) і позитивних (ядра атомів) зарядів збігаються, називають гомеополярными. До них відносяться, наприклад, М. простих газів, вуглеводнів. Якщо електричні центри тяжкості негативних і позитивних зарядів у М. не збігаються, М. називають полярними (наприклад, М. води, аміаку, галогеноводнів, спиртів, кетонів, альдегідів, ефірів). Полярна молекула веде себе як диполь, тобто система з двох електричних зарядів е+ і е- , однакових за величиною, але протилежних за знаком, розташованих на пекотором відстані h один від іншого (рис. 2).

Рис. 2. Схема диполя.


Твір e·h=μ називають дипольним моментом молекули. Останній є мірою полярності М. Речовини, що складаються з полярних М., мають більш високу температуру кипіння, теплоємність, теплоту пароутворення і поверхневий натяг, ніж речовини, що складаються з гомеополярных молекул. Взаємодія між полярними М. є однією з причин асоціації молекул в рідинах, а взаємодія полярних М. розчинника з полярними М. або іонами розчиненої речовини - сольватації останніх. Швидкість дифузії полярних М. через мембрану клітин менше такої для гомеополярных М.
Координаційна (семиполярная, донорно-акцепторная) зв'язок-різновид ковалентного зв'язку, що виникає між атомами, що входять до складу різних молекул, у одного з яких є неподеленная пара електронів, а в іншого не вистачає двох електронів для утворення стійкої зовнішньої електронної оболонки. Такого роду зв'язки характерні для комплексних сполук. Так, наприклад, з'єднання М. аміаку NH3 з М. фтористого бору BF3 в комплексну М. аміакатах фтористого бору здійснюється неподіленої парою електронів азоту

Атом азоту служить донором, атом бору акцептором електронної пари.
Воднева зв'язок здійснюється між атомом водню, ковалентно зв'язаних з атомом F, О або N, і атомами F, О або N, що знаходяться в інших молекулах. Міцність водневого зв'язку невелика (5-10 ккал/моль), проте достатня для утворення асоціацій М. в рідинах і розчинах. У воді, наприклад, такі асоціації мають наступну будову (водневі зв'язки позначені пунктиром):

Водневі зв'язки виникають не тільки між М., але і між атомами всередині однієї і тієї ж М.; це так звані внутрішньомолекулярні водневі зв'язки (водневі містки). Прикладом такого зв'язку може служити воднева зв'язок між атомом водню і атомом кисню в М. o-метилсаліцилату:

Внаслідок наявності цього зв'язку властивості o-метилсаліцилату різко відрізняються від властивостей m - і n-ізомерів. Наявність водневих містків в молекулах нуклеїнових кислот, білків та інших полімерів багато в чому визначає лабільність цих М. Водневі зв'язки відіграють значну роль у субмикроскопической структурі протоплазми.
За допомогою рентгено-, електронно-, нейтронографії, молекулярної спектроскопії та ядерного магнітного резонансу вдалося встановити просторове розташування окремих атомів в М., тобто геометричну конфігурацію М. ряду речовин, в тому числі М. біологічно важливих речовин.
Визначення просторової конфігурації молекул складається з визначення так звані остова М., тобто просторового розташування ядер утворюючих її атомів, і розподілу електронів в межах даної М.
Остов М. знаходять на підставі даних про довжину зв'язку і величиною валентних кутів, які визначаються за допомогою вказаних вище методів. Довжина зв'язку являє собою відстань між центрами двох атомів у М., пов'язаних один з одним ковалентним зв'язком. Менший за величиною кут, утворений прямими, що з'єднують центри двох атомів А1 і А2 з центром третього атома А3 в даній молекулі, називається валентним кутом. Остов М. не є абсолютно жорстким. Наприклад, М. органічних сполук атоми вуглецю можуть обертатися близько ординарних (простих) зв'язків, при цьому змінюється взаємне положення ядер, але залишаються постійними послідовність з'єднання атомів у М., довжина зв'язків і валентні кути. Такі різні форми М., що виникають в результаті повороту атома вуглецю навколо ординарної зв'язку, називають конформациями. Різні конформації однієї і тієї ж М. легко і оборотно переходять один в одного, чим пояснюється відсутність ізомерів обертання і перехід М. у форму, найбільш відповідну для протікання тієї чи іншої реакції.
Розподіл електронів в молекулах знаходять головним чином за допомогою теоретичних розрахунків, в основі яких лежать два основних принципи квантової хімії. Перший з них стверджує, що електрони в атомах і М. можуть перебувати лише на дискретних і цілком певних енергетичних рівнях. Згідно з другим принципом електрони в атомах і М. не можна розглядати як точкові частинки, положення та швидкість яких в М. (або атомі) можна точно визначити для кожного моменту часу. В дійсності, як вчить квантова механіка, можна визначити лише ймовірність знаходження електрона в деяких областях простору в даний момент часу. Тому можна уявити, що заряд електрона як би «розмазаний» в певній області простору у вигляді електронного хмари, розподіл якого в просторі визначається відповідною математичною функцією (званої хвильової функцією електрона або його молекулярної орбиталью (або атомної орбиталью, якщо його розподіл визначають в атомі).
Вило показано, що не всі електрони в М. однаково істотні для її хімічних властивостей. Так, наприклад, у молекулі з великим числом подвійних зв'язків, до яких належить переважна більшість сполук, що відіграють домінуючу роль у процесах життєдіяльності, електрони можна розділити на два типу. До першого типу відносяться σ-електрони, що беруть участь в утворенні ординарних зв'язків, до другого - п-електрони, що беруть участь в утворенні подвійних зв'язків. Перші утворюють жорсткий скелет М. і локалізовані попарно між сусідніми атомами. Другі утворюють значно більш розпливчасте хмара, що охоплює всю периферію М. В таких М. всі їх основні властивості обумовлені п-електронами, які більш лабільні порівняно з σ-електронами і тому з більшою легкістю можуть брати участь у різного роду процесах.