Молекулярная геометрия

Геометрия молекулы воды со значениями длины связи O-H и угла связи H-O-H между двумя связями

Молекулярная геометрия — это трехмерное расположение атомов, составляющих молекулу. Она включает в себя общую форму молекулы, а также длины связей, валентные углы, торсионные углы и любые другие геометрические параметры, которые определяют положение каждого атома.

Геометрия молекулы влияет на ряд свойств вещества, включая его реакционную способность, полярность, фазу вещества, цвет, магнетизм и биологическую активность. Углы между связями, которые образует атом, слабо зависят от остальной части молекулы, то есть их можно рассматривать как приблизительно локальные и, следовательно, переносимые свойства.

Определение

Геометрия молекулы может быть определена различными спектроскопическими и дифракционными методами. ИК, микроволновая и рамановская спектроскопия могут дать информацию о геометрии молекулы на основе деталей колебательного и вращательного поглощения, обнаруживаемых этими методами. Рентгеновская кристаллография, дифракция нейтронов и дифракция электронов могут дать молекулярную структуру кристаллических твердых тел на основе расстояния между ядрами и концентрации электронной плотности. Газовая дифракция электронов может использоваться для небольших молекул в газовой фазе. Методы ЯМР и FRET могут использоваться для определения дополнительной информации, включая относительные расстояния, двугранные углы, углы и связность. Молекулярную геометрию лучше всего определять при низкой температуре, потому что при более высоких температурах молекулярная структура усредняется по более доступным геометриям (см. следующий раздел). Более крупные молекулы часто существуют в нескольких стабильных геометриях (конформационная изомерия), близких по энергии на поверхности потенциальной энергии. Геометрии также могут быть вычислены с помощью ab initio методов квантовой химии с высокой точностью. Геометрия молекулы может быть разной для твердого тела, в растворе и в газе.

Положение каждого атома определяется природой химических связей, которыми он связан со своими соседними атомами. Геометрия молекулы может быть описана положением этих атомов в пространстве, откуда выводятся длины связи двух связанных атомов, валентные углы в тройках связанных атомов и торсионные углы (двугранные углы) трех последовательных связей.

Влияние теплового возбуждения

«Движение» атомов в молекуле определяется квантовой механикой. Общие (внешние) квантово-механические движения, трансляция и вращение практически не меняют геометрию молекулы. В некоторой степени вращение влияет на геометрию через силы Кориолиса и центробежное искажение, но для настоящего обсуждения это несущественно. В дополнение к поступательному движению и вращению, третьим типом движения является молекулярная вибрация, которая соответствует внутренним движениям атомов, таким как растяжение связи и изменение угла связи. Колебания молекул являются гармоническими (по крайней мере, в хорошем приближении), и атомы колеблются около своего положения равновесия даже при температуре абсолютного нуля. При абсолютном нуле все атомы находятся в своем основном колебательном состоянии и демонстрируют квантово-механические нулевые колебания, так что волновая функция одной колебательной моды представляет собой не острый пик, а экспоненту конечной ширины. При более высоких температурах колебательные моды могут быть термически возбуждены (в классической интерпретации это выражается утверждением, что «молекулы будут колебаться быстрее»), но они по-прежнему колеблются вокруг узнаваемой геометрии молекулы.