Войти
Модель заполнения пространства молекулы H2O. В химии, история молекулярной теории прослеживает истоки концепции или идеи существования сильных химических связей между двумя или более атомами.
Современная концепция молекул может восходит к донаучным и греческим философам, таким как Левкипп и Демокрит, которые утверждали, что вся вселенная состоит из атомов и пустот. Около 450 г. до н. Э. Эмпедокл вообразил основные элементы (огонь (
), землю (
), воздух (
) и вода (
)) и «силы» притяжения и отталкивания, позволяющие элементам взаимодействовать. До этого Гераклит утверждал, что огонь или изменение являются фундаментальными для нашего существования, создаваемыми комбинацией противоположных свойств. В Тимее, Платон, следуя Пифагору, рассматривал математические объекты, такие как число, точка, линия и треугольник, как фундаментальные строительные блоки или элементы этого эфемерного мира. и рассматривал четыре элемента: огонь, воздух, воду и землю как состояния веществ, через которые проходят истинные математические принципы или элементы. Пятый элемент, нетленная квинтэссенция эфир, считался фундаментальным строительным блоком небесных тел. Точка зрения Левкиппа и Эмпедокла, наряду с эфиром, была принята Аристотелем и передана в средневековую и ренессансную Европу. Современное представление о молекулах начало развиваться в 19 веке вместе с экспериментальными доказательствами чистых химических элементов и того, как отдельные атомы различных химических веществ, таких как водород и кислород, могут объединяться с образованием химически стабильных молекул, таких как молекулы воды..
Самые ранние взгляды на формы и связь атомов были предложены Левкиппом, Демокрит и Эпикур, которые полагали, что прочность материала соответствует форме задействованных атомов. Таким образом, атомы железа твердые и крепкие с крючками, которые удерживают их в твердое тело; атомы воды гладкие и скользкие; атомы соли из-за своего вкуса острые и заостренные; Атомы воздуха легкие и кружатся, проникая во все другие материалы. Демокрит был главным сторонником этой точки зрения. Используя аналогии, основанные на опыте чувств, он дал картину или изображение атома, в котором атомы отличались друг от друга своей формой, размером и расположением своих частей. Более того, связи объяснялись материальными связями, в которых отдельные атомы были снабжены прикреплениями: одни с крючками и ушками, другие с шарами и гнездами (см. Диаграмму).
Молекула воды как модель крючка и глаза могла его представить. Левкипп, Демокрит, Эпикур, Лукреций и Гассенди придерживались такой концепции. Обратите внимание, что состав воды не был известен до Авогадро (ок. 1811 г.) С подъемом схоластики и упадком Римской империи атомная теория была оставлена на протяжении многих веков в пользу различных теорий четырех элементов и более поздних алхимических теорий. Однако в XVII веке атомная теория возродилась благодаря работам Гассенди и Ньютона. Среди других ученых того времени Гассенди глубоко изучал древнюю историю, написал важные работы о Эпикуре натурфилософии и был ее убедительным пропагандистом. Он рассуждал, что учет размера и формы атомов, движущихся в пустоте, может объяснить свойства материи. Тепло происходило из-за маленьких круглых атомов; от холода до пирамидальных атомов с острыми кончиками, что объясняет колющее ощущение сильного холода; и твердые тела скреплялись крючками. Ньютон, хотя он признавал различные теории прикрепления атомов, модные в то время, то есть «зацепленные атомы», «склеенные атомы» (тела в состоянии покоя) и теорию «склеивания вместе сговорчивыми движениями», скорее всего, верил, как это известно в «Запрос 31» его 1704 Opticks, что частицы притягиваются друг к другу некоторой силой, которая «при непосредственном контакте чрезвычайно сильна, на малых расстояниях выполняет химические операции и достигает недалеко от частиц с какими-либо ощутимыми эффект ".
Однако более конкретным образом концепция агрегатов или единиц связанных атомов, то есть «молекул », восходит к Роберту Бойлю в 1661 году. Согласно гипотезе, изложенной в его знаменитом трактате The Skeptical Chymist, материя состоит из кластеров частиц и что химическое изменение является результатом перегруппировки кластеров. Бойль утверждал, что основные элементы материи состоят из частиц различных видов и размеров, называемых «корпускулами », которые способны объединяться в группы.
В 1680 году, используя корпускулярную теорию в качестве основы, французский химик Николя Лемери установил, что кислотность любого вещества заключается в его острой частиц, а щелочи наделены порами разного размера. Согласно этой точке зрения, молекула состоит из корпускул, объединенных геометрическим замком точек и пор.
Таблица родства Этьена Франсуа Жоффруа 1718 года: в начале столбца находится вещество, с которым могут сочетаться все перечисленные ниже вещества. Ранний предшественник этой идеи связанных «комбинаций атомов», была теория «комбинации через химическое сродство ». Например, в 1718 году, основываясь на концепции Бойля о комбинациях кластеров, французский химик Этьен Франсуа Жоффруа разработал теории химического сродства для объяснения комбинаций частиц, полагая, что некий алхимический " сила »объединяет определенные алхимические компоненты. Имя Жоффруа наиболее известно в связи с его таблицами «сходств » (table des rapports), которые он представил Французской академии в 1718 и 1720 годах.
Это были списки, составленные путем сопоставления наблюдений за действием веществ друг на друга, показывающие разную степень сродства, проявляемую аналогичными телами к различным реагентам. Эти таблицы сохранили свою популярность до конца века, пока их не вытеснили более глубокие концепции, представленные К.Л. Бертолле.
. В 1738 году швейцарский физик и математик Даниэль Бернулли опубликовал Hydrodynamica, которая легла в основу кинетической теории газов. В этой работе Бернулли изложил аргумент, который до сих пор используется, что газ состоит из большого количества молекул, движущихся во всех направлениях, и что их удар по поверхности вызывает давление газа то, что мы чувствуем, и то, что мы воспринимаем как тепло, - это просто кинетическая энергия их движения. Теория не была немедленно принята, отчасти потому, что закон сохранения энергии еще не был установлен, и для физиков не было очевидно, как столкновения между молекулами могут быть совершенно упругими.
В 1789 году Уильям Хиггинс опубликовал взгляды на то, что он назвал комбинациями «предельных» частиц, которые предвосхитили концепцию валентных связей. Если, например, согласно Хиггинсу, сила между конечной частицей кислорода и конечной частицей азота составляла 6, тогда сила силы была бы разделена соответственно, и аналогично для других комбинаций конечных частиц:
Уильям Хиггинс 'комбинации элементарных частиц (1789) 
Джон Далтон объединение атомов в соотношениях (1808) Подобно этим взглядам в 1803 году Джон Дальтон принял за единицу атомный вес водорода, самого легкого элемента, и определил, например, что отношение для азотистого ангидрида составляет 2: 3, что дает формулу N 2O3. Дальтон ошибочно предположил, что атомы «сцепляются» вместе, образуя молекулы. Позже, в 1808 году, Дальтон опубликовал свою знаменитую диаграмму объединенных «атомов»:
Амедео Авогадро создал слово «молекула». В своей статье 1811 года «Эссе по определению относительных масс элементарных молекул тел» он, по сути, заявляет, то есть согласно «Краткой истории химии» Партингтона, что:
мельчайшие частицы газов не обязательно являются простыми атомами, но состоят из определенного числа этих атомов, объединенных притяжением в единую молекулу .
Обратите внимание, что эта цитата не является буквальным переводом. Авогадро использует название «молекула» как для атомов, так и для молекул. В частности, он использует название «элементарная молекула», когда обращается к атомам, и, чтобы усложнить вопрос, также говорит о «составных молекулах» и «составных молекулах».
Во время своего пребывания в Верчелли Авогадро написал краткую записку (memoria), в которой изложил гипотезу того, что мы сейчас называем законом Авогадро : равные объемы газов при одинаковой температуре и давление, содержат такое же количество молекул. Этот закон подразумевает, что соотношение, возникающее между весами одинаковых объемов разных газов, при одинаковых температуре и давлении, соответствует соотношению между соответствующими молекулярными массами. Таким образом, относительные молекулярные массы теперь можно было рассчитать по массам проб газа.
Авогадро разработал эту гипотезу, чтобы согласовать закон Джозефа Луи Гей-Люссака 1808 об объемах и соединении газов с атомной теорией Дальтона 1803 . Самая большая трудность, которую должен был решить Авогадро, заключалась в огромной путанице в то время в отношении атомов и молекул - одним из важнейших вкладов работы Авогадро было четкое различение одного от другого, признание того, что простые частицы тоже могут состоять из молекул, и что эти состоят из атомов. Дальтон, напротив, не рассматривал эту возможность. Любопытно, что Авогадро рассматривает только молекулы, содержащие четное число атомов; он не говорит, почему исключены нечетные числа.
В 1826 году, основываясь на работах Авогадро, французский химик Жан-Батист Дюма утверждает:
Газы в аналогичных условиях состоят из молекул или атомов расположены на одинаковом расстоянии, что равносильно утверждению, что они содержат одинаковые числа в одном томе.
В соответствии с этими концепциями в 1833 году французский химик Марк Антуан Огюст Годен представил четкое учет гипотезы Авогадро, касающейся атомных весов, с использованием «объемных диаграмм», которые ясно показывают как полуправильные молекулярные геометрии, такие как линейная молекула воды, так и правильные молекулярные формулы, такие как H 2 O:
Объемные диаграммы молекул в газовой фазе Марка Антуана Огюста Годена (1833) В двух статьях, описывающих его «теорию атомарности элементов» (1857–58), Фридрих Август Кекуле был первым, кто предложил теорию о том, как каждый атом в органической молекуле связан с каждым другим атомом. Он предположил, что атомы углерода четырехвалентны и могут связываться друг с другом, образуя углеродные скелеты органических молекул.
В 1856 году шотландский химик Арчибальд Купер начал исследования бромирования бензола в лаборатории Чарльза Вюрца в Париже. Через месяц после выхода второй статьи Кекуле была опубликована независимая и во многом идентичная теория молекулярной структуры Купера. Он предложил очень конкретную идею молекулярной структуры, предположив, что атомы соединяются друг с другом, как современные Tinkertoys, в определенных трехмерных структурах. Купер был первым, кто использовал линии между атомами в сочетании со старым методом использования скобок для обозначения связей, а также постулировал прямые цепочки атомов как структуры одних молекул, кольцевые молекулы других, например, в винная кислота и циануровая кислота. В более поздних публикациях связи Купера были представлены прямыми пунктирными линиями (хотя неизвестно, предпочитает ли это наборщик), например, с спиртом и щавелевой кислотой ниже:
Арчибальд Молекулярные структуры Купера для спирта и щавелевой кислоты, с использованием элементарных символов для атомов и линий для связей (1858) В 1861 году неизвестный венский высокотехнологичный школьный учитель по имени Джозеф Лошмидт опубликовал за свой счет буклет под названием Chemische Studien I, содержащий новаторские молекулярные изображения, показывающие как «кольцевые» структуры, так и структуры с двойными связями, такие как:
На рисунках молекул Джозефа Лошмидта этилена H2C = CH 2 и ацетилена HC≡CH (1861) Лошмидт также предложил возможную формулу для бензола, но оставил вопрос открытым. Первое предложение о современной структуре бензола было сделано Кекуле в 1865 году. Циклическая природа бензола была окончательно подтверждена кристаллографом Кэтлин Лонсдейл. Бензол представляет собой особую проблему, поскольку для учета всех связей должны быть чередующиеся двойные углеродные связи:
молекула бензола с чередующимися двойными связями В 1865 г. Немецкий химик Август Вильгельм фон Хофманн был первым, кто создал молекулярные модели стержней и шариков, которые он использовал в лекции в Королевском институте Великобритании, таких как метан, показанный ниже:
Хофманн 1865 модель палки и шарика метана CH4.В основе этой модели лежало более раннее предложение 1855 года его коллеги Уильям Одлинг что углерод представляет собой четырехвалентный. Отметим, что цветовая схема Хофманна используется и по сей день: азот = синий, кислород = красный, хлор = зеленый, сера <127.>= желтый, водород, = белый. Недостатки в модели Хофмана были по существу геометрическими: связь углерода была показана как плоская, а не тетраэдрическая, и атомы были несоразмерны, например углерод был меньше по размеру, чем водород.
В 1864 году шотландский химик-органик Александр Крам Браун начал рисовать изображения молекул, на которых он заключил символы атомов в кружки и использовал пунктирные линии, чтобы соединить атомы вместе. таким образом, чтобы удовлетворить валентность каждого атома.
1873 год, по многим оценкам, стал поворотным моментом в истории развития концепции «молекулы». В этом году известный шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою знаменитую тринадцатистраничную статью «Молекулы» в сентябрьском номере журнала Nature. В первом разделе этой статьи Максвелл четко заявляет:
Атом - это тело, которое нельзя разрезать пополам; молекула - это наименьшая возможная часть определенного вещества.
После разговора об атомной теории в Демокрите Максвелл продолжает говорить нам, что Слово «молекула» - современное слово. Он заявляет: «этого нет в Словарь Джонсона. В нем воплощены идеи, принадлежащие современной химии». Нам говорят, что «атом» - это материальная точка, окруженная «потенциальными силами», и что когда «летающие молекулы» ударяются о твердое тело с постоянной последовательностью, это вызывает то, что называется давлением воздуха. и другие газы. В этот момент, однако, Максвелл отмечает, что никто никогда не видел молекулу и не работал с ней.
В 1874 году Якобус Хенрикус ван 'т Хофф и Джозеф Ахилл Ле Бель независимо друг от друга предположили, что феномен оптической активности можно объяснить следующим образом: в предположении, что химические связи между атомами углерода и их соседями направлены в сторону углов правильного тетраэдра. Это привело к лучшему пониманию трехмерной природы молекул.
Эмиль Фишер разработал метод проекции Фишера для просмотра трехмерных молекул на двухмерном листе бумаги:
В 1898 году Людвиг Больцманн в В его «Лекциях по теории газа» использовалась теория валентности для объяснения явления газофазной молекулярной диссоциации, и при этом был нарисован один из первых элементарных, но подробных рисунков перекрытия атомных орбиталей. Отмечая прежде всего известный факт, что молекулярный пар йода распадается на атомы при более высоких температурах, Больцман заявляет, что мы должны объяснить существование молекул, состоящих из двух атомов, «двойного атома», как его называет Больцман, привлекательной сила, действующая между двумя атомами. Больцман утверждает, что это химическое притяжение из-за определенных фактов химической валентности должно быть связано с относительно небольшой областью на поверхности атома, называемой чувствительной областью.
Больцман заявляет, что эта «чувствительная область» будет лежать на поверхности атома или может частично находиться внутри атома и будет прочно соединена с ним. В частности, он утверждает, что «только когда два атома расположены так, что их чувствительные области находятся в контакте или частично перекрываются, между ними будет химическое притяжение. Затем мы говорим, что они химически связаны друг с другом». Это изображение подробно показано ниже, на котором показана α-чувствительная область атома-A, перекрывающаяся с β-чувствительной областью атома-B: диаграмма молекулы
Больцмана 1898 I 2, показывающая атомные «чувствительные области» (α, β) перекрываются. В начале 20-го века американский химик Гилберт Н. Льюис начал использовать точки в лекциях, преподавая студенты Гарварда, чтобы представлять электроны вокруг атомов. Его ученики предпочитали эти рисунки, что стимулировало его в этом направлении. Из этих лекций Льюис отметил, что элементы с определенным числом электронов, по-видимому, обладают особой стабильностью. На это явление указал немецкий химик Ричард Абегг в 1904 году, который Льюис назвал «законом валентности Абегга» (ныне широко известный как правило Абегга ). Льюису казалось, что как только ядро из восьми электронов формируется вокруг ядра, этот слой заполняется, и начинается новый слой. Льюис также отметил, что различные ионы с восемью электронами, по-видимому, также обладают особой стабильностью. Исходя из этих взглядов, он предложил правило восьми или правило октетов : ионы или атомы с заполненным слоем из восьми электронов обладают особой стабильностью.
Более того, отмечая, что куб имеет восемь углов Льюис предполагал, что атом имеет восемь сторон, доступных для электронов, как угол куба. Впоследствии, в 1902 году, он разработал концепцию, согласно которой кубические атомы могут связываться на своих сторонах, образуя молекулы кубической структуры.
Другими словами, пары электронных пар образуются, когда два атома имеют общий край, как в структуре C ниже. Это приводит к разделению двух электронов. Точно так же заряженные ионные связи образуются при переносе электрона от одного куба к другому, без общего ребра A . Промежуточное состояние B, в котором используется только один угол, также было постулировано Льюисом.
Кубические атомы Льюиса соединяются с образованием кубических молекул Следовательно, двойные связи образуются за счет того, что два кубических атома имеют общую грань. Это приводит к разделению четырех электронов.
В 1913 году, работая заведующим кафедрой химии в Калифорнийском университете в Беркли, Льюис прочитал предварительный набросок статьи английского аспиранта Альфреда. Лаук Парсон, который год был в Беркли. В этой статье Парсон предположил, что электрон - это не просто электрический заряд, но также небольшой магнит (или «магнетон » как он это назвал) и, кроме того, что химическая связь возникает из-за того, что два электрона разделяются между двумя атомами. Это, согласно Льюису, означало, что соединение происходит, когда два электрона образуют общую границу между двумя полными кубами.
Исходя из этих взглядов, в своей знаменитой статье 1916 года Атом и молекула Льюис ввел «структуру Льюиса» для представления атомов и молекул, где точки представляют электроны а линии представляют ковалентные связи. В этой статье он разработал концепцию связи пары электронов, в которой два атома могут иметь от одного до шести электронов, образуя, таким образом, одноэлектронную связь, одинарную связь, двойная связь или тройная связь.
Химическая связь типа Льюиса По словам Льюиса:
Электрон может составлять часть оболочка двух разных атомов, и нельзя сказать, что она принадлежит одному исключительно.
Более того, он предположил, что атом имеет тенденцию образовывать ион, приобретая или теряя количество электронов, необходимое для завершения куба. Таким образом, структуры Льюиса показывают каждый атом в структуре молекулы, используя его химический символ. Линии проводятся между атомами, которые связаны друг с другом; иногда вместо линий используются пары точек. Избыточные электроны, которые образуют неподеленные пары, представлены в виде пары точек и помещены рядом с атомами, на которых они расположены:
точечная структура нитрит-иона Подводя итог своим взглядам на свою новую модель связывания, Льюис состояния:
Два атома могут соответствовать правилу восьми или правилу октетов не только путем переноса электронов от одного атома к другому, но также путем совместного использования одной или нескольких пар электронов... Таким образом, два электрона связаны вместе, когда они лежат между двумя атомными центрами и удерживаются вместе в оболочках двух атомов, я считал, что это химическая связь. Таким образом, у нас есть конкретная картина этой физической сущности, того «крючка и ока», который является частью веры химика-органика.
В следующем году, в 1917 году, неизвестный американский студент-химик по имени Линус Полинг изучал метод склеивания на крючках Далтона в Орегонском сельскохозяйственном колледже, который в то время был модным описанием связей между атомами. У каждого атома было определенное количество крючков, которые позволяли ему прикрепляться к другим атомам, и определенное количество глазков, которые позволяли другим атомам прикрепляться к нему. При соединении крючка и петли образовалась химическая связь. Однако Полинг не удовлетворился этим архаичным методом и обратился к недавно появившейся области квантовой физики в поисках нового метода.
В 1927 году физики Фриц Лондон и Уолтер Хайтлер применили новую квантовую механику к решению проблемы насыщаемых нединамических сил притяжения и отталкивания, т. Е. Обмена силы молекулы водорода. Их подход к решению этой проблемы с помощью валентных связей в их совместной статье был вехой в том, что он перенес химию в квантовую механику. Их работа оказала влияние на Полинга, который только что получил докторскую степень и посетил Гайтлера и Лондон в Цюрихе по стипендии Гуггенхайма.
Впоследствии, в 1931 году, опираясь на работы Гейтлера и Лондона и теории, найденные у Льюиса. В знаменитой статье Полинг опубликовал свою новаторскую статью «Природа химической связи» (см.: рукопись ), в которой он использовал квантовую механику для расчета свойств и структур молекул, такие как углы между связями и вращение вокруг связей. На основе этих концепций Полинг разработал теорию гибридизации для учета связей в таких молекулах, как CH 4, в которых четыре sp³ гибридизированные орбитали перекрываются единицами водорода. орбиталь, образуя четыре сигма (σ) связи. Четыре связи имеют одинаковую длину и силу, что дает молекулярную структуру, как показано ниже:
Схематическое изображение гибридных орбиталей, перекрывающих орбитали водорода Благодаря этим исключительным теориям Полинг выиграл 1954 г. Нобелевская премия по химии. Примечательно, что он был единственным человеком, когда-либо получившим две неразделенные Нобелевские премии, выиграв Нобелевскую премию мира в 1963 году.
В 1926 году французский физик Жан Перрин получил Нобелевскую премию по физике за убедительное доказательство существования молекул. Он сделал это, вычислив число Авогадро, используя три различных метода, все с использованием жидкофазных систем. Во-первых, он использовал мыло-подобную эмульсию gamboge, во-вторых, выполнил экспериментальную работу по броуновскому движению, и в-третьих, подтвердил теорию вращения частиц в жидкой фазе, предложенную Эйнштейном.
В 1937 году химик представил понятие супермолекул (Übermoleküle) для описания водородных связей в димерах уксусной кислоты димеров. В конечном итоге это привело бы к области надмолекулярной химии, которая представляет собой изучение нековалентной связи.
В 1951 году физик Эрвин Вильгельм Мюллер изобрел полевой ионный микроскоп и первым увидел атомы, например связанные атомные структуры на кончике металлического острия.
В 1999 году исследователи из Университета в Вены сообщили о результатах экспериментов по дуальности волна-частица для C 60 молекулы. Данные, опубликованные Zeilinger et al. согласуются с волновой интерференцией де Бройля для молекул C 60. Этот эксперимент был отмечен расширением применимости дуальности волна-частица примерно на один порядок в макроскопическом направлении.
В 2009 году исследователям из IBM удалось сделать первый снимок настоящая молекула. Используя атомно-силовой микроскоп , можно было отобразить каждый отдельный атом и связь молекулы пентацена.
