异构

许多元素可以形成两个或两个以上的共价键,但只有少数可以形成长链的共价键。突出的例子是碳,它可以形成多达四个共价键,可以无限期债券本身。碳总共有6个电子,其中两个是成对的原子轨道最接近原子核。其余四人离原子核更远,可供共价键。当有足够的氢目前,碳反应形成甲烷,CH₄。当所有的四个电子对占领四分子轨道的能量最低,分子假定一个四面体的形状,与碳中心和四个氢原子诱变。碳氢键的长度是110 picometres (1 picometre = 10^-12年米)之间的夹角相邻碳氢键是接近110°。这样许多碳四面体对称是很常见的化合物并导致有趣的结构的可能性。如果两个碳原子连接在一起,三个氢原子连着每个碳原子,这种分子乙烷。当四个碳原子连接在一起,两个不同的结构是可能的:指定一个线性结构n丁烷和分支结构称为异丁烷。这两个结构具有相同的分子式,C₄H₁₀,但顺序不同的附件组成原子。两个分子称为结构同分异构体。他们每个人都有独特的化学和物理性质,和他们是不同的化合物。可能的异构体的数量增加迅速随着碳原子数量的增加。有五个C的同分异构体₆H₁₄,75 C₁₀H₂₂和6.2×10¹³对于C₄₀H_82年。碳原子键除了氢、等氧气,氮,硫,结构的可能性变得更大。正是这种结构潜力巨大多样性使碳化合物生物的关键。

即使碳化合物的键顺序是固定的,仍有可能进一步的结构性变化。当两个碳原子是由两个成键对电子连接在一起,形成一个双键。一个双键迫使两个碳原子,并组织成一个刚性,平面结构。因此,分子如CHCl = CHCl可以存在于两种不恒等的形式称为几何异构体。结构刚度也发生在环结构,和附加团体可以在同一边的戒指或在不同的方面。然而,异构的另一个机会出现在一个碳原子连着四个不同的基团。这些可以在两种不同的方式连接,其中一个是其他的镜像。这种类型的异构现象影响平面偏振光学异构,因为两个同分异构体光不同。两个光学异构体可能的每一个碳原子,连着四个不同的基团。轴承等10个碳原子分子,可能的异构体的总数是2¹⁰= 1024。大生物分子通常有10个或更多的碳原子这样的光学异构体是可能的。只有所有可能的异构体之一将是相同的天然分子。出于这个原因,实验室大型有机分子的合成是非常困难的。仅在20世纪的最后几十年化学家成功发展中试剂和过程产生特定的光学异构体。他们预计,新合成方法将可能更加复杂的天然产物的合成。

基本因素

离子和共价键的物质分子结构很大程度上决定了其功能。如上所述,一种物质的性质取决于它所包含的数量和类型的原子和键模式。然而,其主要性能也取决于单个原子之间的相互作用,离子或分子。的力一种物质的基本单元之间的吸引力决定,在一个给定的温度和压力,将存在于物质固体,液体,或气体阶段。在室温和常压下,例如,强大的吸引力之间的积极的力量离子的钠(Na⁺)的负离子氯(Cl⁻)绘制成一个紧凑的立体结构。邻近的水分子之间的吸引力较弱的力量允许液体的宽松的包装特点。最后,非常弱的吸引力力在相邻的氧分子由分散的力量超过了热量;氧气,因此,是一种气体。颗粒间的力量从而影响物质的化学和物理行为,但他们也在很大程度上决定一个粒子将如何应对不同的粒子的方法。如果两个粒子相互反应形成新的粒子化学反应发生。尽管无限的结构多样性所允许的分子键,这世界将会变得缺乏生活如果物质是无法改变。化学转换的研究,补充了分子结构的研究,是建立在的概念能源和熵。

能源和热力学第一定律

能源是一个基本的概念,熟悉所有的科学。简单来说,身体的能量代表其工作能力和工作本身就是一个力作用在一个距离。

化学系统可以同时拥有动能运动(能量)势能(储能)。分子的动能都收集在一个固体、液体或气体被称为它的热能。因为液体扩大时,他们有更多的热能,水星的液柱,例如,将会上升更高一个真空管,因为它变得温暖。以这种方式可以使用温度计测量热能量,或温度、系统。所有的温度停止被称为分子运动绝对零度。

能源也可能存储在原子或分子势能。当质子和中子结合形成一定的核心元素,减少的势能相匹配的生产数量巨大的动能。例如,考虑的形成从一个氘原子核质子和一个中子。化学家的基本质量单位是摩尔代表质量,6.02×10克²³单个粒子,无论是原子或分子。一摩尔的质子的质量是1.007825克,一摩尔的中子的质量是1.008665克。通过简单的加法一摩尔质量的氘原子(忽略了可以忽略不计一摩尔质量的电子)应该是2.016490克。测量的质量是比这少0.00239克。的失踪的质量被称为原子核的结合能,代表了质量相当于所释放的能量核的形成。用爱因斯坦的公式转换大规模能源(E=米c²),一个可以计算的能量相当于0.00239克,2.15×10⁸焦。这是大约240000倍的燃烧释放的能量一摩尔的甲烷。此类研究的原子形成的能量和互变现象的一部分被称为核化学专业。

燃烧的甲烷释放的能量的,900,千焦每摩尔。虽然远低于由核反应释放的能量,能量的化学过程,如燃烧是大到足以被认为是光和热。能量释放在所谓的放热反应,因为产品分子的化学键,二氧化碳和水,是强大和稳定比反应物分子,甲烷和氧气。系统的化学势能减少,而且大部分的释放能量以热能的形式出现,而一些看起来辐射能,或者光。这样的燃烧反应产生的热量将会提高周围空气的温度,在恒定的压力,增加其体积。这种扩张的空气导致工作完成。的气缸内燃机例如,汽油的燃烧导致热气体,扩大对一个移动的活塞。活塞的运动转动曲轴,从而推动车辆。在这种情况下,化学势能转换为热能,其中一些有用的工作。这一过程说明了能量守恒称为的声明热力学第一定律。这个法律规定,对于一个放热反应,释放的能量等于热化学系统所获得的环境加上执行工作。通过测量伴随化学反应的热量和功量,它是可能的确定反应物和生成物之间的能量差异的各种反应。在这种方式中,势能存储在各种各样的分子可以确定,和伴随化学反应的能量变化可以计算。

熵和热力学第二定律

一些化学过程发生即使没有净能量变化。考虑一个包含气体的容器,通过通道连接到一个疏散船在一个障碍阻碍气体的通过。如果移除障碍,气体将扩大到船撤离。这种扩张和观察是一致的,气体总是扩大到整个体积。当两船的温度都是一样的,气体膨胀前后的能量是一样的。然而,相反的反应不会发生。自发的反应是产生一个更大的障碍。扩展卷,单个气体分子有更大的自由运动,从而更加无序。的测量系统的障碍是称为一个数量熵。在绝对零度的条件,所有的原子和分子运动停止,障碍和熵等完全压实物质是零。(零熵为零温度符合热力学第三定律)。一切物质绝对零度以上将有积极的熵值随温度增加。当热的身体降温,热能量失去传递给周围的空气,这是在较低的温度。作为冷却身体的熵减少,周围空气的熵增加。事实上,空气的熵的增加大于熵的减少冷却身体。这是符合热力学第二定律,即系统的总熵及其周边地区总是增加自发反应。因此第一和第二热力学定律表明,化学变化的过程宇宙能量是守恒的,但熵增加。

热力学定律应用到化学系统允许化学家预测化学反应的行为。当能量和熵的考虑支持产品的形成分子,直到一个试剂分子会形成产品平衡建立产品和试剂之间。规定产品试剂的比例是一个量称为平衡常数,这是一个函数的能量和熵之间的差异。什么热力学然而,无法预测,是化学反应发生的速度。快速反应平衡的混合产品和试剂可以建立在一个毫秒或更少;慢反应所需的时间可能是数百年。

利率的反应

当特定的化学反应率测量实验,他们发现依赖反应物种的浓度,温度,称为活化能的数量。化学家们通过求助于解释这个现象碰撞理论反应率。这一理论构建的前提要求两个或两个以上的化学物质之间的反应,在分子水平上,两个快速移动分子之间的碰撞。如果两个分子碰撞以正确的方式和足够的动能,一个分子的可能获得足够的能量来启动bond-breaking过程。当这发生时,新债券可能开始形成,并最终试剂分子是转化成产品。的最高能量在债券打破和债券被称为形成过渡态分子的过程。过渡态的能量和反应的分子活化能必须超过一个反应发生。反应速率随着温度增加,因为碰撞分子有更大的能量,和更多的能量超过反应的活化能。现代研究化学变化的分子基础已经大大得益于激光和计算机。现在可以短暂的碰撞研究的产品和更好的确定的分子机制,解决化学反应的速率。这在设计新的知识是有用的催化剂可以加快反应速率降低活化能。催化剂对许多生物化学和工业过程很重要,因为他们加快反应,通常发生的很慢是有用的。此外,他们经常这样做增加了控制产品分子的结构特点。一个铑膦催化剂例如,使得化学家获得96%的正确的光学异构体的合成的关键步骤l二羟基苯丙氨酸,用于治疗的药物帕金森病。