5. Описание молекул методом молекулярных орбиталей (ММО). Энергетические диаграммы МО.
Метод молекулярных орбиталей (ММО) - это квантово-механический подход к описанию электронной структуры молекул. Он основывается на идее того, что электроны в молекуле не находятся в строго определенных орбиталях, как в атоме, а описываются волновыми функциями - молекулярными орбиталями.
Молекулярные орбитали формируются из взаимодействия атомных орбиталей, таких как s-, p- и d-орбитали, которые находятся на отдельных атомах молекулы. В результате суперпозиции атомных орбиталей образуются новые молекулярные орбитали, которые могут быть связанными или небиндирующими. Связанные молекулярные орбитали имеют энергетическую ценность ниже среднего уровня атомных орбиталей, тогда как небиндирующие молекулярные орбитали имеют энергию выше этого уровня.
Энергетические диаграммы молекулярных орбиталей, или МО-диаграммы, представляют собой графическое представление энергий молекулярных орбиталей. На МО-диаграмме ось ординат представляет энергии орбиталей, а по оси абсцисс приведено расстояние от атомного ядра. Обычно на МО-диаграмме приписывается также количество электронов в каждой орбитали, что позволяет предсказывать магнитные свойства и химическую активность молекулы.
6. Заполнение МО электронами в молекулах, образованных атомами и ионами элементов 1-го и 2-го периодов ПСЭ. Кратность связи в ММО. Межмолекулярные взаимодействия и их природа.
Заполнение молекулярных орбиталей (МО) электронами в молекулах происходит в соответствии с принципом запрещения Паули, согласно которому все электроны в атоме или молекуле должны иметь различные значения своих квантовых чисел. Это означает, что каждый электрон может находиться в одной из молекулярных орбиталей, имеющих определенное количество энергии. Первые электроны заполняют орбитали с наиболее низкой энергией, затем последующие электроны заполняют орбитали с более высокой энергией.
Кратность связи в МО зависит от количества электронов, находящихся в связывающих (связывающих) МО и антиповязывающих (антиповязывающих) МО. В связующих МО электроны формируют симметричный облачный резонанс, который способствует удержанию атомов в молекуле. В антиповязывающих МО электроны формируют антисимметричный резонанс, который мешает удержанию атомов и может даже способствовать разрушению молекулы.
Межмолекулярные взаимодействия - это взаимодействия между двумя или более молекулами, которые происходят в результате электростатических и ван-дер-ваальсовых сил. Эти взаимодействия могут быть притяжательными или отталкивающими по своей природе.
Примером притяжательного межмолекулярного взаимодействия является водородная связь, которая возникает между атомом водорода, связанным с электроотрицательным атомом (обычно атомом кислорода, азота или фтора), и электронной парой или электроотрицательным атомом в другой молекуле. Межмолекулярные взаимодействия могут быть также вызваны другими факторами, такими как диполь-дипольное взаимодействие и взаимодействие ван-дер-ваальса.
7. Водородная связь и ее разновидности. Биологическая роль водородной связи. Молекулярные комплексы и их роль в метаболических процессах.
Водородная связь - это вид межмолекулярного взаимодействия, который основан на притяжении между атомом водорода и электронной парой или электроотрицательным атомом в другой молекуле. Водородные связи обычно характеризуются энергией от 2 до 40 кал/моль и длиной связи около 0,18 нм.
Существуют различные разновидности водородной связи. Самой распространенной является образование водородной связи между атомом водорода и электроотрицательным атомом кислорода (часто водородная связь происходит между атомами кислорода и водорода в молекуле воды). Другие разновидности водородной связи включают взаимодействие с атомами азота, фтора, серы и других электроотрицательных атомов.
Биологическая роль водородной связи заключается в том, что она может оказывать существенное влияние на структуру и функцию макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и углеводы. Водородная связь может способствовать формированию трехмерной структуры белка и его активной центра, а также является основой для образования двойных спиралей ДНК и РНК.
Молекулярные комплексы - это структуры, состоящие из двух или более молекул, которые образуются в результате межмолекулярных взаимодействий, таких как водородная связь. Молекулярные комплексы играют важную роль в метаболических процессах, таких как ферментативные реакции, где они могут участвовать в катализе химических реакций и транспорте молекул.
Примером молекулярного комплекса является ферментативный комплекс, состоящий из фермента и его субстрата. Ферментативные комплексы обеспечивают эффективность химических реакций, увеличивая концентрацию субстрата и уменьшая энергию активации реакции. Другим примером молекулярного комплекса является антибиотик, который может образовывать комплекс с молекулой, ответственной за инфекцию, и предотвращать ее развитие.
Таким образом, метод молекулярных орбиталей (ММО) позволяет описать электронную структуру молекул, а энергетические диаграммы молекулярных орбиталей позволяют визуализировать распределение энергий молекулярных орбиталей. Заполнение МО электронами в молекулах определяется принципом запрещения Паули, а кратность связи в ММО зависит от количества электронов на связывающих и антиповязывающих МО. Межмолекулярные взаимодействия, такие как водородные связи, способствуют структуре и функции биологических молекул, а молекулярные комплексы играют важную роль в метаболических процессах.
