Structura moleculara

Structura moleculara

Prin asocierea atomilor se formeaza grupari stabile numite molecule, care pastreaza proprietatile si compozitia procentuala a substantei. Dimensiunea moleculelor este de ordinul 10^-10 m in cazul moleculelor mici, care sunt constituite dintr-un numar restrans de atomi, si 10^-7 - 10^-6 m in cazul macromoleculelor care pot cuprinde peste 10⁴ atomi. Organismele vii contin molecule mari (de exemplu, macromolecula de ADN are 10⁸ - 10⁹ atomi).

Structura si stabilitatea moleculelor sunt determinate de interactiunile fizice ce se manifesta intre particulele constituiente ale atomilor, precum si intre atomii moleculei. Efectul imediat al interactiunilor dintre atomi sau grupuri de atomi este formarea legaturilor chimice si dispunerea spatiala a acestora.

In general, fortele interatomice (intramoleculare) sunt de natura electrica, deoarece atomii sunt formati din nuclee pozitive si electroni negativi, ceea ce determina aparitia interactiunilor repulsive, respectiv atractive. Expresia acestor forte electrostatice este data de legea lui Coulomb:

(2.1)

unde q₁, q₂ sunt sarcinile electrice, r distanta dintre particule, iar e este permitivitatea mediului.

1. Stabilitatea moleculelor

Se considera un ansamblu de doi atomi aflati la distanta r unul de altul, cand fortele dintre acestia pot fi predominant de atractie sau de repulsie, sau in ansamblul lor sa se compenseze reciproc. In figura este reprezentata variatia cu distanta a energiei potentiale datorata fortelor intramoleculare.

Energia potentiala datorata fortelor de atractie este negativa, iar cea datorata fortelor de respingere este pozitiva. Energia potentiala totala este rezultanta celor doua energii (linia punctata).

Cand distanta dintre cei doi atomi este mare, practic fortele interatomice sunt nule, iar energia ansamblului este data de suma energiei fiecarui atom. Cu scaderea distantei incep sa se manifeste fortele de atractie si de respingere, si cum variatia acestora este diferita, la o anumita distanta, r₀, cele doua devin egale in modul. Aceasta configuratie corespunde energiei potentiale minime a ansamblului de atomi, respectiv starii stabile in care cei doi atomi formeaza o molecula.

Fig. Energia potentiala datorata fortelor intramoleculare.

Cand distanta dintre cei doi atomi este mare, practic fortele interatomice sunt nule, iar energia ansamblului este data de suma energiei fiecarui atom. Cu scaderea distantei incep sa se manifeste fortele de atractie si de respingere, si cum variatia acestora este diferita, la o anumita distanta, r₀, cele doua devin egale in modul. Aceasta configuratie corespunde energiei potentiale minime a ansamblului de atomi, respectiv starii stabile in care cei doi atomi formeaza o molecula.

Daca molecula primeste o energie mai mare decat energia potentiala minima W_min, egala cu energia gropii de potential, ea se desface in atomii constituenti care se deplaseaza separat cu viteze determinate de surplusul de energie. Energia minima necesara desfacerii moleculei se numeste energie de legatura W_leg, deci:

W_leg = - W_min (2.2)

In concluzie, stabilitatea moleculei se datoreaza fortelor interatomice (intra­moleculare) si corespunde energiei potentiale minime.

2. Dipoli electrici

O proprietate importanta a moleculelor este distributia spatiala a sarcinilor electrice, care explica unele interactiuni moleculare si comportarea moleculelor in campurile de forte externe.

Moleculele, care din punct de vedere electric sunt neutre, pot avea o structura spatiala simetrica sau una asimetrica, in care centrul de greutate al sarcinilor pozitive (nucleele) nu coincide cu centrul de greutate al sarcinilor negative (electronii), ele fiind despartite spatial (Fig.2.2.). O astfel de molecula se comporta la interactiunea cu un camp exterior ca un dipol electric permanent, fiind caracterizat de un moment dipolar permanent (m

m = q d (2.3)

unde q este sarcina iar d distanta dintre centrele de greutate ale sarcinilor electrice. Exemple de molecule ce se comporta ca un dipol permanent sunt apa, amoniacul gazos, cetonele, esterii, aminele primare, urea etc.

Fig.2.2. Dipoli electrici: (a) permanent, (b) indus, (c) instantaneu.

Unele molecule cu o structura simetrica pot deveni dipoli in prezenta unui camp electric exterior, care separa centrele sarcinilor, inducand un moment dipolar:

m a E (2.4)

unde a reprezinta polarizabilitatea moleculei - capacitatea de formare a norului electronic, iar E este intensitatea campului electric extern. Acest tip de molecula este un dipol indus.

Exita unele molecule unde repartitia asimetrica a sarcinilor electrice rezulta datorita miscarii norului electronic, obtinandu-se un dipol instantaneu, a carui orientare variaza in timp, avand un moment dipolar doar intr-un interval de timp foarte scurt.

Majoritatea moleculelor de natura biologica sunt molecule de tip dipol.