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分子结构

分子结构,或称分子立体结构、分子形状、分子几何,建立在光谱学数据之上,用以描述分子中原子的三维排列方式。分子结构在很大程度上影响了化学物质的反应性极性相态、颜色、磁性和生物活性。 分子结构涉及原子在空间中的位置,与键结的化学键种类有关,包括键长键角以及相邻三个键之间的二面角

分子结构最好在接近绝对零度的温度下测定,因为随着温度升高,分子转动也增加。量子力学和半实验的分子模拟计算可以得出分子形状,固态分子的结构也可通过X射线晶体学测定。体积较大的分子通常以多个稳定的构象存在,势能面中这些构象之间的能垒较高 。

分子结构涉及原子在空间中的位置,与键结的化学键种类有关,包括键长键角以及相邻三个键之间的二面角

原子在分子中的成键情形与空间排列。分子结构对物质的物理与化学性质有决定性的关系。最简单的分子是氢分子,1克氢含1023个以上的氢分子。水分子中2个氢原子都连接到一个中心氧原子上,所成键角是104.5°。分子中原子的空间关系不是固定的,除了分子本身在气体和液体中的平动外,分子结构中的各部分也都处于连续的运动中。因此分子结构与温度有关。分子所处的状态(固态、液态、气态、溶解在溶液中或吸附在表面上)不同,分子的精确尺寸也不同。

因尚无真正适用的分子结构理论,复杂分子的细致结构不能预言,只能从实验测得。量子力学认为,原子中的轨道电子具有波动性,用数学方法处理电子驻波原子轨道)就能确定原子间或原子团间键的形成方式。原子中的电子轨道在空间重叠愈多,形成的键愈稳定。量子力学方法是建立在实验数据和近似的数学运算(由高速电子计算机进行运算)相结合的基础上的,对简单的体系才是精确的,例如对水分子形状的预言。另一种理论是把分子看成一个静电平衡体系:电子和原子核的引力倾向于最大,电子间的斥力倾向于最小,各原子核和相邻原子中电子的引力也是很重要的。为了使负电中心的斥力减至最小,体系尽可能对称的排列,所以当体系有2个电子对时,它们呈线型排列(180°);有3个电子对时呈三角平面排列,键角120°。

分子的键有三种极限类型,即离子键、共价键金属键。定位于2个原子之间的键称为定域键 。由多个原子的共有电子形成的多中心键称为离域键。此外还有过渡类型的键:键电子偏向一方的共价键称为极性键,由一方提供成键电子的键称为配位键。通过这些类型的键把原子按一定的空间排列结合成分子,形成分子的构型和构象。例如碳是共享电子对键(共价键)的基本参加者,碳和氢2 种元素的原子可形成烃类化合物,正四面体构的CH4是其中最简单的烃,还可形成环状化合物,例如环己烷;硅和氧是矿物质的基本元素,云母和石英都含有硅氧单元 。金属原子被夹在烃环平面中间构成夹心化合物。蛋白质的基本成分是一端接碱性基,一端接酸性基的二官能分子α-氨基酸。化学组成和分子量相同但分子结构不同的物质互称为异构体。当2 种异构体其他性质相同,只是旋光方向相反,这一类异构体称作旋光异构体。可用X射线等衍射法、各种光谱、波谱、能谱和质谱法等测定或推测分子的结构。

由于分子中原子的运动由量子力学决定,因此“运动”这个概念也必须要建立在量子力学基础之上。总体(外部)的量子力学运动如平移和旋转几乎不改变分子的结构(由旋转导致的科里奥利力和离心扭曲以及由此导致的形状变化在此可以忽略)。内部运动包括振动,隶属于谐波,即原子即使在绝对零度仍会在平衡间振荡。此时所有原子都处于振动基态,具有零点能量,振动模式的波函数也不是一个尖峰,而是有限宽度的指数。随着温度升高,振动模式(自由度)被热激发,用通俗的话讲是分子振动加快,而它们仍然只在分子特定部分振荡。

波尔兹曼分布可以量度温度对分子振动的影响:exp(-ΔE/kT),其中ΔE是振动模式的激发能,k是波尔兹曼常数,T是绝对温度。在298K(25 °C)下,典型的波尔兹曼因子值为:ΔE= 500 cm-1 --> 0.089;ΔE = 1000 cm-1 --> 0.008;ΔE = 1500 cm-1 --> 7 * 10-4。即,如果激发能为500 cm-1,那么大约9-的分子在室温时会处于热激发态。对水分子而言,其弯曲模式具有最低的激发能,大约为1600 cm-1,因此室温下水分子中振动速度比绝对零度时快的分子占不到0.07-。

虽然转动很难影响分子结构,但作为一个量子力学运动,相对振动而言它在低温下热激发程度较高。从经典力学角度来看即是,更多分子在高温下转动更快(它们具有更大的角速度角动量);而从量子力学角度看则是,随温度升高,更多角动量较大的本征态开始聚集。典型的转动激发能数量级在几cm-1。

由于涉及转动态,很多光谱学的实验数据都被扩大了。而转动运动随温度升高而变得激烈,因此,低温下的分子结构数据往往更加可靠,而从高温下的光谱很难得出分子结构。

根据定义,分子中的原子是由共价键(包括单键双键、叁键等)或/和离子键连结起来的,因此分子形状可通过键长键角二面角这些参数来阐明。键长被定义为任何分子中,两个原子中心间的平均距离;键角是相邻三个原子两条键之间的夹角;而二面角,或称扭转角,则相对于四个相邻原子而言,是前三个原子所形成的平面与剩下一根键之间所成的角度。

电子的量子力学性质决定分子结构,因此可通过价键理论近似来理解化学键类型对结构的影响。杂化轨道理论认为,先有原子轨道间的杂化,才有化学键的生成。至于化学键,其中两种最常见的为σ键和π键,而含离域电子的结构可借助分子轨道理论来理解。

研究原子和分子中电子的类波行为隶属于量子化学的范畴。

具有相同化学式但不同结构的物质被称为异构体,它们常有不同的性质。

纯净物只由异构体中的一种构成,因此所有分子结构相同。

构造异构体中原子排列顺序不同,性质也常有不同,例如正丙醇异丙醇

官能团异构体是由于含有不同官能团而导致异构的异构体,例如醚和醇。

立体异构体物理性质可能类似(例如熔点和沸点),但生化活性一般不同。这是由于它们具有手性,必须要有特定的立体结构才可以与其他底物结合。一对立体异构体可使平面偏振光偏转相同的角度,但是在相反方向上。

蛋白质折叠关系到高分子蛋白质的构象取向问题。

分子有六种基本形状类型:

直线型:AB2型所有原子处在一条直线上,键角为180°,例如二氧化碳O=C=O。

平面三角形:所有原子处在一个平面上,三个周边原子均匀分布在中心原子周围,键角120°,例如三氟化硼BF3。

四面体:四个周边原子处在四面体的四个顶点,中心原子位于四面体中心。理想键角109°28',例如甲烷CH4。

八面体:六个周边原子处在八面体的六个顶点,中心原子位于四面体中心。理想键角90°,例如六氟化硫SF6。

三角锥形:四面体型的一条键被孤对电子占据,剩下三条键的形状即是三角锥型。由于孤对电子体积较大,三角锥形的键角较四面体形的键角要小。例如氨NH3,键角107.312°循环。

四方锥形:八面体型的一条键被孤对电子占据,剩下五条键的形状即是四方锥型,例如五氟化溴BrF5。

角形:与直线型相对,两条键的三个原子不在一条直线上。例如水H2O,键角104.5°。

键连原子孤对电子电子对数 形状 理想键角 例子 图片

2 0 2 直线型 180° BeCl2

3 0 3 平面三角形 120° BF3

2 1 3 角形 120° SO2

4 0 4四面体109.5° CH4

3 1 4 三角锥 109.5° NH3

2 2 4 角形 109.5° H2O

5 0 5 三角双锥 90°、120° PCl5

4 1 5 变形四面体90°、120° SF4

3 2 5 T型 90° ClF3

2 3 5 直线型 180° XeF2

6 0 6八面体90° SF6

5 1 6 四方锥 90° BrF5

4 2 6 平面正方形 90° XeF4

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