Большая Советская Энциклопедия (МО)
Шрифт:
Парамагнитны М., обладающие постоянным магнитным моментом (см. Парамагнетизм ). Таковы М. с нечётным числом электронов во внешней оболочке (например, NO и любые свободные радикалы), М., содержащие атомы с незамкнутыми (незаполненными) внутренними оболочками (переходные металлы и др.). Магнитная восприимчивость парамагнитных веществ зависит от температуры, т. к. тепловое движение препятствует ориентации магнитных моментов в магнитном поле. Строение парамагнитных М. эффективно изучается методом ЭПР.
Атомные ядра элементов, у которых атомный номер или массовое число нечётны, обладают ядерным спиновым парамагнетизмом. Для таких ядер характерен ядерный магнитный резонанс (ЯМР), спектр которого зависит от электронного окружения ядер в М. Поэтому спектры ЯМР служат
Спектры и строение молекул. Электрические, оптические, магнитные и другие свойства М. в конечном счёте связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний М.; через них выражаются и электрический дипольный момент, и магнитный момент, и поляризуемость, и магнитная восприимчивость. Прямую информацию о состояниях М. и вероятностях перехода между ними дают молекулярные спектры .
Частоты в спектрах, соответствующих вращательным переходам, зависят от моментов инерции М., определение которых из спектроскопических данных позволяет получить наиболее точные значения межатомных расстояний в М.
Общее число линий или полос в колебательном спектре М. зависит от её симметрии. Частоты колебаний, наблюдаемые в спектрах, определяются, с одной стороны, массами атомов и их расположением, с другой — динамикой межатомных взаимодействий. Теория колебаний многоатомных М. соответственно опирается на теорию химического строения и классическую механику связанных колебаний. Исследование колебательных спектров позволяет сделать ряд выводов о строении М., о межатомных и межмолекулярных взаимодействиях, изучать явления таутомерии, поворотной изомерии.
Электронные переходы в М. характеризуют структуру их электронных оболочек, состояние химических связей. Спектры М., обладающих большим числом сопряжённых связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, построенные из таких М., обладают цветностью, к ним относятся все органические красители. Изучение электронно-колебательных спектров М. необходимо для понимания естественной и магнитной оптической активности.
Молекулы в химии, физике и биологии. Понятие о М. — основное для химии, и большей частью сведений о строении и функциональности М. наука обязана химическим исследованиям. При химической реакции происходит превращение одних М. в другие. Для такого превращения обычно необходима некоторая избыточная энергия М. — энергия активации (см. Кинетика химическая ). В акте химического взаимодействия М. проходят через конфигурацию т. н. активированного комплекса, или переходного состояния М. Характер и скорость химической реакции определяются этим состоянием, в свою очередь зависящим от строения взаимодействующих М. Химия решает две главные задачи, относящиеся к М., — устанавливает строение М. на основании химических реакций и, наоборот, на основе строения М. определяет ход реакций. Широкая совокупность важнейших проблем современной химии, в том числе и нерешённых, сводится к теории химической реакционной способности. Исследование этих проблем требует применения как теоретических методов квантовой химии, так и экспериментальных данных, получаемых химическими и физическими методами.
Физические явления, определяемые строением и свойствами М., изучаются молекулярной физикой . Термодинамические свойства любого вещества, построенного из М., в конечном счёте выражаются через значения энергий всех возможных состояний М., находимых из спектроскопических данных. Строение М. и межмолекулярные взаимодействия ответственны за равновесные свойства вещества. То же относится к неравновесным, кинетическим, свойствам. Установление равновесия требует некоторого времени — времени релаксации . При быстрых изменениях состояния вещества равновесие может не успеть установиться. Эти явления наблюдаются, например, при прохождении ультразвука через вещество и сказываются на поглощении и дисперсии звуковых волн (см. Молекулярная акустика ). Равновесие устанавливается в результате взаимодействия М. при их соударениях в газе и жидкости, в результате поглощения и излучения света и т. д. Время релаксации М. в конденсированной среде существенно зависит от температуры, с ростом которой увеличивается подвижность М. В ряде случаев М. в жидкости практически утрачивают свою подвижность ещё до кристаллизации: происходит стеклование вещества. Подвижностью М. определяются способность веществ к диффузии , их вязкость , теплопроводность и т. д. Непосредственное изучение подвижности М., определение времён релаксации проводятся методами поглощения и дисперсии электромагнитных волн, ЯМР, ЭПР и другими способами.
Равновесные и кинетические свойства больших цепных М., образующих полимеры (см. Макромолекула ), специфичны. Особенности поведения макромолекул определяются прежде всего их гибкостью — способностью находиться в большом числе различных конформаций, возникающих в результате поворотов вокруг единичных связей.
Развитие биологии, химии и молекулярной физики привело к построению молекулярной биологии , исследующей основные явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных М. Организм существует на основе тонко сбалансированных химических и нехимических взаимодействий между М. Таким образом, изучение строения и свойств М. имеет фундаментальное значение для естествознания в целом.
Лит.: Сыркин Я. К., Дяткина М. Е., Химическая связь и строение молекул, М. — Л., 1946; Паулинг Л., Природа химической связи, пер. с англ., М. — Л., 1947; Волькенштейн М. В., Строение и физические свойства молекул, М. — Л., 1955; его же, Молекулы и жизнь, М., 1965; его же, Перекрёстки науки, М., 1972; Кондратьев В. Н., Структура атомов и молекул, 2 изд., М., 1959; Козман У., Введение в квантовую химию, пер. с англ., М., 1960; Слэтер Дж., Электронная структура молекул, пер. с англ., М., 1965.
М. В. Волькенштейн.
Рис. 1. Зависимость потенциальной энергии U двухатомной молекулы (или отдельной химической связи) от межатомного расстояния r (r — равновесное расстояние, D — энергия диссоциации, 0, 1, 2, ... — уровни энергии колебаний).
Рис. 2. Модели структур некоторых простых молекул (радиусы сфер — ван-дер-ваальсовы).
Молекулярная акустика
Молекуля'рная аку'стика, раздел физической акустики , в котором свойства вещества и кинетика молекулярных процессов исследуются акустическими методами. Основными методами М. а. являются измерение скорости звука и поглощения звука и зависимостей этих величин от разных физических параметров: частоты звуковой волны, температуры, давления и др. Методами М. а. можно исследовать газы, жидкости, полимеры, твёрдые тела, плазму.
Развитие М. а. как самостоятельного раздела началось в 30-е годы 20 в., когда было установлено, что во многих веществах при распространении в них звуковых волн имеет место дисперсия скорости звука (см. Дисперсия звука ), а поглощение звука не описывается классическим законом, по которому коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. Эти аномалии были объяснены на основании изучения релаксационных процессов (см. Релаксация ), что позволило связать некоторые свойства вещества на молекулярном уровне, а также ряд кинетических характеристик молекулярных процессов с такими макроскопическими величинами, как скорость и поглощение звука.