Alle kroppene som omgir oss består av atomer. Atomer på sin side settes sammen til et molekyl. Det er på grunn av forskjellen i molekylstrukturen at man kan snakke om stoffer som er forskjellige fra hverandre, basert på deres egenskaper og parametere. Molekyler og atomer er alltid i en tilstand av dynamikk. De beveger seg, de sprer seg fortsatt ikke i forskjellige retninger, men holdes i en viss struktur, som vi skylder eksistensen av et så stort utvalg av stoffer i hele verden rundt oss. Hva er disse partiklene og hva er deres egenskaper?
Generelle konsepter
Hvis vi tar utgangspunkt i teorien om kvantemekanikk, så består ikke molekylet av atomer, men deres kjerner og elektroner, som hele tiden interagerer med hverandre.
For noen stoffer er et molekyl den minste partikkelen som har selve stoffets sammensetning og kjemiske egenskaper. Så egenskapene til molekyler fra et kjemisynspunkt bestemmes av dens kjemiske struktur ogkomposisjon. Men bare for stoffer med molekylær struktur fungerer regelen: de kjemiske egenskapene til stoffer og molekyler er de samme. For noen polymerer, som etylen og polyetylen, samsvarer ikke sammensetningen med den molekylære sammensetningen.
Det er kjent at egenskapene til molekyler bestemmes ikke bare av antall atomer, deres type, men også av konfigurasjonen, rekkefølgen av forbindelsen. Et molekyl er en kompleks arkitektonisk struktur, der hvert element står på sin plass og har sine spesifikke naboer. Atomstrukturen kan være mer eller mindre stiv. Hvert atom vibrerer rundt sin likevektsposisjon.
Konfigurasjon og parametere
Det hender at noen deler av molekylet roterer i forhold til andre deler. Så, i prosessen med termisk bevegelse, antar et fritt molekyl bisarre former (konfigurasjoner).
I utgangspunktet bestemmes egenskapene til molekyler av bindingen (dens type) mellom atomer og arkitekturen til selve molekylet (struktur, form). Derfor tar den generelle kjemiske teorien først og fremst kjemiske bindinger og er basert på egenskapene til atomer.
Med en sterk polaritet er egenskapene til molekyler vanskelige å beskrive med to- eller tre-konstante korrelasjoner, som er utmerket for ikke-polare molekyler. Derfor ble en ekstra parameter med et dipolmoment introdusert. Men denne metoden er ikke alltid vellykket, siden polare molekyler har individuelle egenskaper. Parametre er også foreslått for å ta hensyn til kvanteeffekter, som er viktige ved lave temperaturer.
Hva vet vi om molekylet til det vanligste stoffet på jorden?
Av alle stoffene på planeten vår er vann det vanligste. Det, i bokstavelig forstand, gir liv til alt som finnes på jorden. Bare virus kan klare seg uten det, resten av de levende strukturene i deres sammensetning har for det meste vann. Hvilke egenskaper ved vannmolekylet, kun karakteristiske for det, brukes i menneskets økonomiske liv og jordens dyreliv?
Dette er tross alt et helt unikt stoff! Ingen andre stoffer kan skryte av et sett med egenskaper som er iboende i vann.
Vann er hovedløsningsmidlet i naturen. Alle reaksjoner som forekommer i levende organismer, på en eller annen måte, skjer i vannmiljøet. Det vil si at stoffer inngår reaksjoner mens de er i oppløst tilstand.
Vann har utmerket varmekapasitet, men lav varmeledningsevne. Takket være disse egenskapene kan vi bruke den som varmetransport. Dette prinsippet er inkludert i kjølemekanismen til et stort antall organismer. I kjernekraftindustrien ga egenskapene til vannmolekylet opphav til bruken av dette stoffet som kjølevæske. I tillegg til muligheten for å være et reaktivt medium for andre stoffer, kan vann selv inngå reaksjoner: fotolyse, hydrering og andre.
Naturlig rent vann er en luktfri, fargeløs og smakløs væske. Men ved lagtykkelse større enn 2 meter blir fargen blåaktig.
Hele vannmolekylet er en dipol (to motsatte poler). Det er dipolstrukturen ibestemmer hovedsakelig de uvanlige egenskapene til dette stoffet. Vannmolekylet er en diamagnet.
Metalvann har en annen interessant egenskap: molekylet får strukturen til det gyldne snitt, og strukturen til stoffet får proporsjonene til det gyldne snitt. Mange av egenskapene til vannmolekylet er etablert ved å analysere absorpsjon og emisjon av stripete spektre i gassfasen.
Vitenskap og molekylære egenskaper
Alle stoffer, unntatt kjemiske, har de fysiske egenskapene til molekylene som utgjør strukturen deres.
I fysisk vitenskap brukes begrepet molekyler for å forklare egenskapene til faste stoffer, væsker og gasser. Evnen til alle stoffer til å diffundere, deres viskositet, varmeledningsevne og andre egenskaper bestemmes av mobiliteten til molekyler. Da den franske fysikeren Jean Perrin studerte Brownsk bevegelse, beviste han eksperimentelt eksistensen av molekyler. Alle levende organismer eksisterer på grunn av et fint balansert indre samspill i strukturen. Alle kjemiske og fysiske egenskaper til stoffer er av grunnleggende betydning for naturvitenskapen. Utviklingen av fysikk, kjemi, biologi og molekylær fysikk ga opphav til en slik vitenskap som molekylærbiologi, som studerer de grunnleggende fenomenene i livet.
Ved bruk av statistisk termodynamikk bestemmer de fysiske egenskapene til molekyler, som bestemmes av molekylær spektroskopi, i fysisk kjemi de termodynamiske egenskapene til stoffer som er nødvendige for å beregne kjemiske likevekter og etableringshastigheten.
Hva er forskjellen mellom egenskapene til atomer og molekyler?
For det første forekommer ikke atomer i fri tilstand.
Molekyler har rikere optiske spektra. Dette skyldes den lavere symmetrien til systemet og fremveksten av muligheten for nye rotasjoner og oscillasjoner av kjernene. For et molekyl består den totale energien av tre energier som er forskjellige i størrelsesorden på komponentene:
- elektronisk skall (optisk eller ultrafiolett stråling);
- vibrasjoner av kjerner (infrarød del av spekteret);
- rotasjon av molekylet som helhet (radiofrekvensområde).
Atomer sender ut karakteristiske linjespektre, mens molekyler sender ut stripete spektre som består av mange tettsittende linjer.
Spektralanalyse
Optiske, elektriske, magnetiske og andre egenskaper til et molekyl bestemmes også av forbindelsen med bølgefunksjonene. Data om tilstandene til molekyler og den sannsynlige overgangen mellom dem viser molekylspektre.
Overganger (elektroniske) i molekyler viser kjemiske bindinger og strukturen til deres elektronskall. Spektre med flere forbindelser har langbølgelengde absorpsjonsbånd som faller inn i det synlige området. Hvis et stoff er bygget av slike molekyler, har det en karakteristisk farge. Disse er alle organiske fargestoffer.
Egenskapene til molekyler av samme substans er de samme i alle aggregeringstilstander. Dette betyr at i de samme stoffene skiller ikke egenskapene til molekylene til flytende, gassformige stoffer seg fra egenskapene til det faste stoffet. Molekylet til ett stoff har alltid samme struktur, uansettselve materiens aggregerte tilstand.
Elektriske data
Måten et stoff oppfører seg i et elektrisk felt bestemmes av de elektriske egenskapene til molekylene: polariserbarhet og permanent dipolmoment.
Dipolmoment er den elektriske asymmetrien til et molekyl. Molekyler som har et symmetrisenter som H2 har ikke et permanent dipolmoment. Evnen til elektronskallet til et molekyl til å bevege seg under påvirkning av et elektrisk felt, som et resultat av at det dannes et indusert dipolmoment i det, er polariserbarhet. For å finne verdien av polariserbarhet og dipolmoment, er det nødvendig å måle permittiviteten.
Oppførselen til en lysbølge i et vekslende elektrisk felt er preget av de optiske egenskapene til et stoff, som bestemmes av polariserbarheten til et molekyl av dette stoffet. Direkte relatert til polariserbarhet er: spredning, refraksjon, optisk aktivitet og andre fenomener innen molekylær optikk.
Man kan ofte høre spørsmålet: "Hva avhenger, foruten molekyler, egenskapene til et stoff?" Svaret er ganske enkelt.
Egenskapene til stoffer, bortsett fra isometri og krystallstruktur, bestemmes av temperaturen i omgivelsene, selve stoffet, trykk, tilstedeværelsen av urenheter.
Chemistry of molecules
Før dannelsen av vitenskapen om kvantemekanikk, var naturen til kjemiske bindinger i molekyler et uløst mysterium. Klassisk fysikk forklarer retningsvirkning ogmetning av valensbindinger kunne ikke. Etter opprettelsen av grunnleggende teoretisk informasjon om den kjemiske bindingen (1927) ved bruk av eksemplet med det enkleste H2-molekylet, begynte teorien og beregningsmetodene å bli gradvis forbedret. For eksempel, basert på den utbredte bruken av metoden for molekylære orbitaler, kvantekjemi, ble det mulig å beregne interatomære avstander, energien til molekyler og kjemiske bindinger, fordelingen av elektrontetthet og andre data som f alt fullstendig sammen med eksperimentelle data.
Stoffer med samme sammensetning, men ulik kjemisk struktur og ulike egenskaper, kalles strukturelle isomerer. De har forskjellige strukturformler, men de samme molekylformlene.
Ulike typer strukturell isomerisme er kjent. Forskjellene ligger i strukturen til karbonskjelettet, posisjonen til den funksjonelle gruppen eller posisjonen til multippelbindingen. I tillegg er det fortsatt romlige isomerer der egenskapene til et stoffmolekyl er preget av samme sammensetning og kjemiske struktur. Derfor er både strukturelle og molekylære formler de samme. Forskjellene ligger i den romlige formen til molekylet. Spesielle formler brukes for å representere forskjellige romlige isomerer.
Det finnes forbindelser som kalles homologer. De er like i struktur og egenskaper, men er forskjellige i sammensetning med en eller flere CH2-grupper. Alle stoffer som ligner i struktur og egenskaper kombineres til homologe serier. Etter å ha studert egenskapene til en homolog, kan man resonnere om hvilken som helst annen av dem. Settet med homologer er en homolog serie.
Når du transformerer strukturene i materiede kjemiske egenskapene til molekyler endres dramatisk. Selv de enkleste forbindelsene tjener som eksempel: metan, når det kombineres med ett oksygenatom, blir en giftig væske k alt metanol (metylalkohol - CH3OH). Følgelig blir dens kjemiske komplementaritet og effekt på levende organismer annerledes. Lignende, men mer komplekse endringer skjer ved modifisering av strukturene til biomolekyler.
Kjemiske molekylære egenskaper avhenger sterkt av strukturen og egenskapene til molekyler: av energibindingene i det og geometrien til selve molekylet. Dette gjelder spesielt i biologisk aktive forbindelser. Hvilken konkurrerende reaksjon som vil være dominerende bestemmes ofte bare av romlige faktorer, som igjen avhenger av de initiale molekylene (deres konfigurasjon). Ett molekyl med en "ubehagelig" konfigurasjon vil ikke reagere i det hele tatt, mens et annet med samme kjemiske sammensetning men en annen geometri kan reagere umiddelbart.
Et stort antall biologiske prosesser observert under vekst og reproduksjon er assosiert med de geometriske relasjonene mellom reaksjonsproduktene og utgangsmaterialene. Til din informasjon: Virkningen til et betydelig antall nye medikamenter er basert på en lignende molekylstruktur av en forbindelse som er skadelig fra et biologisk synspunkt for menneskekroppen. Stoffet tar plassen til det skadelige molekylet og gjør det vanskelig å handle.
Ved hjelp av kjemiske formler uttrykkes sammensetningen og egenskapene til molekylene til forskjellige stoffer. Basert på molekylvekten, kjemisk analyse, etableres og kompileres atomforholdetempirisk formel.
Geometri
Bestemmelse av den geometriske strukturen til et molekyl gjøres under hensyntagen til likevektsarrangementet til atomkjerner. Energien til samspillet mellom atomer avhenger av avstanden mellom atomkjernene. På veldig store avstander er denne energien null. Når atomene nærmer seg hverandre, begynner en kjemisk binding å dannes. Da blir atomene sterkt tiltrukket av hverandre.
Hvis det er en svak tiltrekning, er dannelsen av en kjemisk binding ikke nødvendig. Hvis atomene begynner å nærme seg på nærmere avstand, begynner elektrostatiske frastøtende krefter å virke mellom kjernene. En hindring for en sterk konvergens av atomer er inkompatibiliteten til deres indre elektronskall.
Sizes
Det er umulig å se molekyler med det blotte øye. De er så små at selv et mikroskop med 1000x forstørrelse ikke vil hjelpe oss å se dem. Biologer observerer bakterier så små som 0,001 mm. Men molekyler er hundrevis og tusenvis av ganger mindre.
I dag bestemmes strukturen til molekyler av et bestemt stoff ved diffraksjonsmetoder: nøytrondiffraksjon, røntgendiffraksjonsanalyse. Det er også vibrasjonsspektroskopi og den elektronparamagnetiske metoden. Valget av metode avhenger av typen stoff og dets tilstand.
Størrelsen på et molekyl er en betinget verdi, tatt i betraktning elektronskallet. Poenget er avstandene til elektroner fra atomkjerner. Jo større de er, jo mindre sannsynlig er det å finne elektronene til molekylet. I praksis kan størrelsen på molekylene bestemmes ved å ta hensyn til likevektsavstanden. Dette er intervallet hvor molekylene selv kan nærme seg hverandre når de er tett pakket i en molekylær krystall og i en væske.
Store avstander har molekyler som tiltrekker seg, og små, tvert imot, til frastøting. Derfor hjelper røntgendiffraksjonsanalyse av molekylære krystaller med å finne dimensjonene til molekylet. Ved å bruke diffusjonskoeffisienten, termisk ledningsevne og viskositet til gasser, samt tettheten til et stoff i kondensert tilstand, kan man bestemme størrelsesordenen til molekylstørrelser.
