La molecola

La molecola

Una molecola (molecola francese, da Lat. Moles - massa) è la più piccola particella di una sostanza capace di esistenza indipendente, in possesso delle sue proprietà chimiche.

Lo studio della struttura e delle proprietà delle molecole ha acquisito un interesse eccezionale nella comprensione della struttura submicroscopica di cellule e tessuti, nonché del meccanismo dei processi biologici a livello molecolare. Il grande successo nello studio della struttura delle molecole e, in particolare, delle molecole di tali biopolimeri come proteine ​​e acidi nucleici, ha mostrato che le funzioni più importanti di queste sostanze negli organismi sono svolte a livello di singole molecole e quindi dovrebbero essere investigate come fenomeni molecolari. È stato stabilito, per esempio, che tali proteine ​​funzionano come enzimatico, strutturale, contrattile, immune, trasporto (legame reversibile e trasferimento di sostanze vitali) sono giocate a livello molecolare e sono direttamente determinate dalla struttura e dalle proprietà delle molecole di queste sostanze. L'ereditarietà e la variabilità degli organismi sono associate alla struttura e alle proprietà speciali delle molecole di acido nucleico, che contengono tutte le informazioni genetiche necessarie per la sintesi delle proteine ​​del corpo. Piccole deviazioni nella struttura o composizione di molecole di un certo numero di sostanze biologicamente importanti o cambiamenti nel meccanismo molecolare di determinati processi metabolici causano un numero di malattie (ad esempio, anemia falciforme, galattosemia ereditaria, diabete mellito, ecc.), Chiamate malattie molecolari.

La molecola di ciascuna sostanza consiste in un certo numero di atomi (vedi) di un elemento chimico (sostanza semplice) o vari elementi (sostanza complessa) uniti da legami chimici (valenza). La composizione della molecola è espressa da una formula chimica in cui i segni degli elementi indicano il tipo di atomi che formano la molecola, ei numeri in basso a destra mostrano quanti atomi di ciascun elemento fanno parte della molecola. Quindi, dalla formula chimica del glucosio C 6 H 12 O 6 ne consegue che la molecola di glucosio è composta da 6 atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e 6 atomi di ossigeno. Molecole di gas inerti e vapori di alcuni metalli sono monatomiche. Queste sono le molecole più semplici. Le più complesse sono molecole di proteine ​​(vedi), acidi nucleici (vedi) e altri biopolimeri composti da molte migliaia di atomi.

Per trovare la formula chimica di una molecola, è necessario determinare il peso molecolare approssimativo (vedi) della sostanza in esame e la più semplice (empirica) formula della sua molecola. Quest'ultimo è derivato dalla composizione percentuale della sostanza e dai pesi atomici (vedi) degli elementi chimici che compongono questa sostanza. Ad esempio, l'analisi chimica ha stabilito che il benzene è composto da 92,26% di carbonio e 7,74% di idrogeno. Ne consegue che il rapporto tra il numero di atomi di carbonio e il numero di atomi di idrogeno nella molecola del benzene è:

dove 12.011 e 1.008 sono i pesi atomici del carbonio e dell'idrogeno, rispettivamente. Pertanto, la formula più semplice di benzene dovrebbe essere CH. Confrontando la formula più semplice di benzene con il suo peso molecolare approssimativo (78,1), trovato sperimentalmente, determina la sua formula reale o vera C 6 H 6 .

La dimensione delle molecole è espressa in A. Ad esempio, il diametro di una molecola d'acqua, supponendo che abbia una forma sferica, è 3,8 A. Molecole di sostanze molecolari alte sono molto più grandi, ad esempio, le dimensioni lineari degli assi maggiori e minori delle molecole di toro fibrinogeno a forma di bastoncello sono 700 e 40 A, e virus del mosaico del tabacco - 2800 e 152 A, rispettivamente. Una misura della massa relativa di una molecola è il peso molecolare (vedi), la cui ampiezza varia da poche unità a milioni.

La sequenza in cui gli atomi sono legati in una molecola (la struttura chimica delle molecole secondo A. M. Butlerov) è rappresentata dalle cosiddette formule strutturali. Ad esempio, la struttura chimica dell'acido acetico C 2 H 4 O 2 è rappresentata dalla seguente formula strutturale:

dove ogni linea denota un'unità di valenza (vedi), il numero di linee che corrispondono a un atomo è uguale alla sua valenza in un dato composto.

La struttura chimica della molecola, trovata sulla base della determinazione del peso molecolare, della composizione chimica e dello studio delle proprietà chimiche della sostanza di prova e infine confermata dalla sua sintesi da sostanze la cui struttura chimica è nota, è un fattore importante che determina le proprietà della sostanza, in particolare la sua azione farmacologica, tossicità e funzioni biologiche . La differenza nelle proprietà degli isomeri (vedi Isomerismo) è un esempio della dipendenza delle proprietà delle sostanze sulla struttura chimica delle loro molecole. La composizione atomica delle molecole degli isomeri è la stessa, ad esempio il dimetiletere e l'alcol etilico, essendo isomeri, hanno le stesse formule chimiche C 2 H 6 O, ma le loro formule strutturali sono diverse:

ciò che spiega le loro varie proprietà.

La capacità di un atomo di formare uno o un altro numero di legami chimici con altri atomi in molecole è chiamata valenza di un dato atomo. Durante la formazione di un legame chimico (valenza), si verifica un riarrangiamento di elettroni esterni (valenza) degli atomi interagenti, in conseguenza del quale i gusci degli elettroni esterni di una molecola acquisiscono una struttura stabile peculiare agli atomi di gas inerti (vedi) e solitamente composta da otto elettroni (ottetto elettronico). A seconda del metodo di riorganizzazione degli elettroni di valenza, ci sono diversi tipi di base di legami chimici.

Un legame ionico (elettrovalente) si verifica tra gli atomi di elementi che differiscono notevolmente nelle proprietà chimiche, ad esempio tra atomi di metalli alcalini e atomi di alogeno. In questo caso, l'atomo di metallo fornisce un elettrone all'atomo di alogeno (Figura 1).


Fig. 1. Formazione di molecola di cloruro di sodio.

Un atomo che dona un elettrone diventa uno ione con carica positiva. Un atomo che accetta un elettrone diventa uno ione con carica negativa. Gli ioni a carica opposta che si formano in questo modo si attraggono reciprocamente per formare una molecola. Molecole e composti con legami ionici (per esempio, sali e ossidi di metalli del primo e secondo gruppo del sistema periodico di elementi) sono chiamati eteropolari. Il legame ionico è caratterizzato da un'alta resistenza (energia legante), cioè il lavoro richiesto per rompere la molecola in singoli ioni.

Il legame covalente (atomico) sorge nell'interazione di atomi della stessa proprietà o simili. Inoltre, ciascuno degli atomi di connessione rilascia uno o più elettroni di valenza per formare una coppia (o più coppie di elettroni), che diventa comune per entrambi gli atomi. Una coppia generalizzata di elettroni, che racchiude nel loro moto i nuclei degli atomi di connessione, li tiene vicini l'uno all'altro. Le molecole legate in modo covalente includono molecole di gas semplici, ossidi e composti di idrogeno di non metalli e molti composti organici:

I punti indicano gli elettroni situati sui gusci degli elettroni esterni degli atomi ei segni chimici indicano i nuclei degli atomi con tutti i gusci elettronici, ad eccezione di quelli esterni. Una coppia di atomi di legame di elettroni corrisponde alla linea di valenza nelle solite formule strutturali.

Le molecole in cui i centri elettrici di gravità delle cariche negative (elettroni) e positive (nuclei di atomi) coincidono sono chiamate omeopolari. Questi includono, per esempio, molecole di gas semplici, idrocarburi. Se i centri elettrici di gravità delle cariche negative e positive nelle molecole non coincidono, le molecole sono chiamate polari (per esempio, molecole di acqua, ammoniaca, alogenuri di idrogeno, alcoli, chetoni, aldeidi, eteri). Una molecola polare si comporta come un dipolo, cioè un sistema di due cariche elettriche e + ed e-, la stessa in grandezza ma opposta nel segno, situata a una distanza h l'una dall'altra (figura 2).


Fig. 2. Schema del dipolo.

Il prodotto e · h = μ è chiamato il momento di dipolo della molecola. Quest'ultimo è una misura della polarità della molecola. Le sostanze costituite da molecole polari hanno un punto di ebollizione, una capacità termica, un calore di vaporizzazione e una tensione superficiale maggiori di quelle costituite da molecole omeopolari. L'interazione tra molecole polari è una delle ragioni per l'associazione di molecole nei liquidi, e l'interazione di molecole di solvente polare con molecole polari o ioni di un soluto è la solvatazione di quest'ultimo. La velocità di diffusione delle molecole polari attraverso la membrana cellulare è inferiore a quella delle molecole omeopolari.

Il legame di coordinamento (semipolare, donatore-accettore) è un tipo di legame covalente che si verifica tra atomi che formano molecole diverse, una delle quali ha una coppia di elettroni non condivisa e l'altra priva di due elettroni per formare un guscio di elettrone esterno stabile. Tali connessioni sono caratteristiche di composti complessi. Quindi, per esempio, il composto della molecola di ammonio NH 3 con la molecola di fluoruro di boro BF3 nella complessa molecola di ammonio del fluoruro di boro viene eseguita da una coppia di elettroni solitari di azoto

L'atomo di azoto serve come donatore, l'atomo di boro è un accettore di coppie di elettroni.

Il legame idrogeno è tra un atomo di idrogeno legato in modo covalente a un atomo di F, O o N e atomi di F, O o N presenti in altre molecole. La forza del legame idrogeno è piccola (5-10 kcal / mol), tuttavia, è sufficiente per la formazione di associazioni molecolari nei liquidi e nelle soluzioni. In acqua, ad esempio, tali associazioni hanno la seguente struttura (i legami idrogeno sono indicati da linee tratteggiate):

I legami idrogeno sorgono non solo tra le molecole, ma anche tra gli atomi all'interno della stessa molecola; questi sono i cosiddetti legami idrogeno intramolecolari (ponti a idrogeno). Un esempio di tale legame è il legame idrogeno tra un atomo di idrogeno e un atomo di ossigeno nella molecola di o-metilsalicilato:

A causa della presenza di questo legame, le proprietà di o-metil salicilato sono molto diverse dalle proprietà degli isomeri di m e n. La presenza di ponti di idrogeno in molecole di acidi nucleici, proteine ​​e altri polimeri determina in gran parte la labilità di queste molecole. I legami idrogeno svolgono un ruolo significativo nella struttura submicroscopica del protoplasma.

Utilizzando la diffrazione di raggi X, elettroni, neutroni, spettroscopia molecolare e risonanza magnetica nucleare, è stato possibile stabilire la disposizione spaziale di singoli atomi nella molecola, cioè la configurazione geometrica delle molecole di un certo numero di sostanze, incluse le molecole di sostanze biologicamente importanti.

La definizione della configurazione spaziale delle molecole è costituita dalla definizione della cosiddetta spina dorsale della molecola, cioè la disposizione spaziale dei nuclei dei suoi atomi costituenti e la distribuzione degli elettroni all'interno di una data molecola.

Lo scheletro della molecola si trova sulla base dei dati sulla lunghezza del legame e sull'ampiezza degli angoli di valenza determinati usando i metodi precedenti. La lunghezza di un legame è la distanza tra i centri di due atomi in una molecola collegata da un legame covalente. L'angolo più piccolo, formato dalle rette che collegano i centri di due atomi А 1 e А 2 con il centro del terzo atomo А3 in questa molecola, è chiamato angolo di valenza. Lo scheletro di una molecola non è completamente rigido. Per esempio, in molecole di composti organici, gli atomi di carbonio possono ruotare attorno a ordinari (semplici) legami e la posizione relativa dei nuclei cambia, ma la sequenza della connessione degli atomi nella molecola, la lunghezza dei legami e gli angoli di legame rimangono costanti. Queste varie forme di molecole risultanti dalla rotazione di un atomo di carbonio attorno ad un singolo legame sono chiamate conformazioni. Diverse conformazioni della stessa molecola si trasformano facilmente e in modo reversibile l'una nell'altra, il che spiega l'assenza di isomeri di rotazione e la transizione delle molecole nella forma più adatta per il verificarsi di una particolare reazione.

La distribuzione degli elettroni nelle molecole si trova principalmente con l'aiuto di calcoli teorici, che si basano su due principi di base della chimica quantistica. Il primo di essi sostiene che gli elettroni negli atomi e nelle molecole possono essere solo a livelli energetici discreti e ben definiti. Secondo il secondo principio, gli elettroni negli atomi e nelle molecole non possono essere considerati come particelle puntiformi, la cui posizione e velocità in una molecola (o atomo) possono essere determinate con precisione per ogni punto nel tempo. In effetti, come insegna la meccanica quantistica, puoi determinare solo la probabilità di trovare un elettrone in certe regioni dello spazio in un dato momento. Pertanto, si può immaginare che la carica elettronica sia "spalmata" in una certa regione dello spazio sotto forma di una nuvola di elettroni, la cui distribuzione nello spazio è determinata dalla corrispondente funzione matematica (chiamata funzione dell'onda elettronica o suo orbitale molecolare (o orbitale atomico se la sua distribuzione è determinata in un atomo) .

È stato dimostrato che non tutti gli elettroni di una molecola sono ugualmente importanti per le sue proprietà chimiche. Quindi, per esempio, in una molecola con un gran numero di doppi legami, a cui la stragrande maggioranza dei composti gioca un ruolo dominante nei processi dell'attività vitale, gli elettroni possono essere divisi in due tipi. Il primo tipo comprende gli σ-elettroni che partecipano alla formazione di legami ordinari, il secondo - gli elettroni P che partecipano alla formazione di doppi legami. I primi formano uno scheletro rigido della molecola e sono localizzati in coppie tra atomi vicini. Questi ultimi formano una nube molto più vaga che copre l'intera periferia della molecola. In tali molecole, tutte le loro proprietà di base sono dovute agli elettroni p, che sono più labili rispetto agli σ-elettroni e quindi possono più facilmente partecipare a vari tipi di processi.