Alla kroppar som omger oss består av atomer. Atomer, i sin tur, samlas till en molekyl. Det är på grund av skillnaden i molekylstrukturen som man kan tala om ämnen som skiljer sig från varandra, utifrån deras egenskaper och parametrar. Molekyler och atomer är alltid i ett tillstånd av dynamik. När de rör sig sprids de fortfarande inte i olika riktningar, utan hålls i en viss struktur, som vi är skyldiga till existensen av en sådan enorm mängd ämnen i hela världen omkring oss. Vilka är dessa partiklar och vilka egenskaper har de?
Allmänna begrepp
Om vi utgår från teorin om kvantmekanik, så består molekylen inte av atomer, utan deras kärnor och elektroner, som ständigt interagerar med varandra.
För vissa ämnen är en molekyl den minsta partikel som har själva ämnets sammansättning och kemiska egenskaper. Så egenskaperna hos molekyler ur kemisynpunkt bestäms av dess kemiska struktur ochsammansättning. Men bara för ämnen med molekylstruktur fungerar regeln: de kemiska egenskaperna hos ämnen och molekyler är desamma. För vissa polymerer, såsom eten och polyeten, stämmer inte sammansättningen med den molekylära sammansättningen.
Det är känt att egenskaperna hos molekyler bestäms inte bara av antalet atomer, deras typ, utan också av konfigurationen, kopplingsordningen. En molekyl är en komplex arkitektonisk struktur, där varje element står på sin plats och har sina specifika grannar. Atomstrukturen kan vara mer eller mindre stel. Varje atom vibrerar kring sin jämviktsposition.
Konfiguration och parametrar
Det händer att vissa delar av molekylen roterar i förhållande till andra delar. Så, under termisk rörelse, antar en fri molekyl bisarra former (konfigurationer).
I grund och botten bestäms egenskaperna hos molekyler av bindningen (dess typ) mellan atomer och arkitekturen hos själva molekylen (struktur, form). För det första tar alltså den allmänna kemiska teorin hänsyn till kemiska bindningar och är baserad på atomernas egenskaper.
Med en stark polaritet är egenskaperna hos molekyler svåra att beskriva med två- eller trekonstanta korrelationer, vilket är utmärkt för opolära molekyler. Därför infördes en ytterligare parameter med ett dipolmoment. Men denna metod är inte alltid framgångsrik, eftersom polära molekyler har individuella egenskaper. Parametrar har också föreslagits för att ta hänsyn till kvanteffekter, som är viktiga vid låga temperaturer.
Vad vet vi om molekylen för det vanligaste ämnet på jorden?
Av alla ämnen på vår planet är vatten det vanligaste. Det, i bokstavlig mening, ger liv åt allt som finns på jorden. Endast virus kan klara sig utan det, resten av de levande strukturerna i sin sammansättning har för det mesta vatten. Vilka egenskaper hos vattenmolekylen, endast karakteristiska för den, används i människans ekonomiska liv och jordens vilda djur?
Det här är trots allt ett helt unikt ämne! Inget annat ämne kan skryta med en uppsättning egenskaper som är inneboende i vatten.
Vatten är det huvudsakliga lösningsmedlet i naturen. Alla reaktioner som sker i levande organismer, på ett eller annat sätt, sker i vattenmiljön. Det vill säga ämnen inträder i reaktioner medan de är i löst tillstånd.
Vatten har utmärkt värmekapacitet, men låg värmeledningsförmåga. Tack vare dessa egenskaper kan vi använda den som värmetransport. Denna princip ingår i kylmekanismen för ett stort antal organismer. Inom kärnkraftsindustrin gav vattenmolekylens egenskaper upphov till användningen av detta ämne som kylmedel. Förutom möjligheten att vara ett reaktivt medium för andra ämnen kan vattnet självt ingå i reaktioner: fotolys, hydrering och andra.
Naturligt rent vatten är en luktfri, färglös och smaklös vätska. Men vid en lagertjocklek som är större än 2 meter blir färgen blåaktig.
Hela vattenmolekylen är en dipol (två motsatta poler). Det är dipolstrukturen ibestämmer huvudsakligen de ovanliga egenskaperna hos detta ämne. Vattenmolekylen är en diamagnet.
Metalvatten har en annan intressant egenskap: dess molekyl får strukturen av det gyllene snittet, och strukturen av ämnet får proportionerna av det gyllene snittet. Många av vattenmolekylens egenskaper har fastställts genom att analysera absorption och emission av randiga spektra i gasfasen.
Vetenskap och molekylära egenskaper
Alla ämnen, utom kemiska, har de fysikaliska egenskaperna hos molekylerna som utgör deras struktur.
Inom fysikalisk vetenskap används begreppet molekyler för att förklara egenskaperna hos fasta ämnen, vätskor och gaser. Alla ämnens förmåga att diffundera, deras viskositet, värmeledningsförmåga och andra egenskaper bestäms av molekylernas rörlighet. När den franske fysikern Jean Perrin studerade Brownsk rörelse bevisade han experimentellt förekomsten av molekyler. Alla levande organismer existerar på grund av en finbalanserad intern interaktion i strukturen. Alla kemiska och fysikaliska egenskaper hos ämnen är av grundläggande betydelse för naturvetenskapen. Utvecklingen av fysik, kemi, biologi och molekylär fysik gav upphov till en sådan vetenskap som molekylärbiologi, som studerar de grundläggande fenomenen i livet.
Med hjälp av statistisk termodynamik bestämmer de fysikaliska egenskaperna hos molekyler, som bestäms av molekylär spektroskopi, inom fysikalisk kemi de termodynamiska egenskaperna hos ämnen som är nödvändiga för att beräkna kemiska jämvikter och hastigheten för dess etablering.
Vad är skillnaden mellan egenskaperna hos atomer och molekyler?
För det första förekommer inte atomer i det fria tillståndet.
Molekyler har rikare optiska spektra. Detta beror på systemets lägre symmetri och uppkomsten av möjligheten till nya rotationer och oscillationer av kärnorna. För en molekyl består den totala energin av tre energier som är olika i storleksordning på komponenterna:
- elektroniskt skal (optisk eller ultraviolett strålning);
- vibrationer av kärnor (infraröd del av spektrumet);
- rotation av molekylen som helhet (radiofrekvensområde).
Atomer avger karakteristiska linjespektra, medan molekyler avger randiga spektra som består av många tätt åtskilda linjer.
Spektralanalys
Optiska, elektriska, magnetiska och andra egenskaper hos en molekyl bestäms också av sambandet med vågfunktionerna. Data om molekylernas tillstånd och den sannolika övergången mellan dem visar molekylspektra.
Övergångar (elektroniska) i molekyler visar kemiska bindningar och strukturen hos deras elektronskal. Spektra med fler kopplingar har långvågiga absorptionsband som faller in i det synliga området. Om ett ämne är byggt av sådana molekyler har det en karakteristisk färg. Dessa är alla organiska färgämnen.
Egenskaperna hos molekyler av samma ämne är desamma i alla aggregationstillstånd. Det betyder att i samma ämnen skiljer sig inte egenskaperna hos molekylerna av flytande, gasformiga ämnen från egenskaperna hos det fasta ämnet. Molekylen av ett ämne har alltid samma struktur, oavsettaggregerat tillstånd av själva materien.
Elektrisk data
Sättet ett ämne beter sig i ett elektriskt fält bestäms av molekylernas elektriska egenskaper: polariserbarhet och permanent dipolmoment.
Dipolmoment är den elektriska asymmetrin hos en molekyl. Molekyler som har ett symmetricentrum som H2 har inte ett permanent dipolmoment. Förmågan hos en molekyls elektronskal att röra sig under påverkan av ett elektriskt fält, som ett resultat av vilket ett inducerat dipolmoment bildas i det, är polariserbarhet. För att hitta värdet på polariserbarhet och dipolmoment är det nödvändigt att mäta permittiviteten.
Beteendet hos en ljusvåg i ett växlande elektriskt fält kännetecknas av de optiska egenskaperna hos ett ämne, vilka bestäms av polariserbarheten hos en molekyl av detta ämne. Direkt relaterade till polariserbarhet är: spridning, refraktion, optisk aktivitet och andra fenomen inom molekylär optik.
Man kan ofta höra frågan: "Vad beror ett ämnes egenskaper på förutom molekyler?" Svaret är ganska enkelt.
Egenskaper hos ämnen, förutom isometri och kristallstruktur, bestäms av temperaturen i omgivningen, själva ämnet, trycket, förekomsten av föroreningar.
Kemi av molekyler
Före bildandet av vetenskapen om kvantmekanik var naturen hos kemiska bindningar i molekyler ett olöst mysterium. Klassisk fysik förklarar riktning ochmättnad av valensbindningar kunde inte. Efter skapandet av grundläggande teoretisk information om den kemiska bindningen (1927) med hjälp av exemplet med den enklaste H2-molekylen, började teorin och beräkningsmetoderna gradvis förbättras. Till exempel, baserat på den utbredda användningen av metoden för molekylära orbitaler, kvantkemi, blev det möjligt att beräkna interatomära avstånd, energin hos molekyler och kemiska bindningar, fördelningen av elektrondensitet och andra data som helt sammanföll med experimentella data.
Ämnen med samma sammansättning, men olika kemisk struktur och olika egenskaper, kallas strukturisomerer. De har olika strukturformler, men samma molekylformler.
Olika typer av strukturell isomerism är kända. Skillnaderna ligger i strukturen av kolskelettet, positionen för den funktionella gruppen eller positionen för multipelbindningen. Dessutom finns det fortfarande rumsliga isomerer där egenskaperna hos en ämnesmolekyl kännetecknas av samma sammansättning och kemiska struktur. Därför är både strukturella och molekylära formler desamma. Skillnaderna ligger i molekylens rumsliga form. Särskilda formler används för att representera olika rumsliga isomerer.
Det finns föreningar som kallas homologer. De är lika i struktur och egenskaper, men skiljer sig i sammansättning med en eller flera CH2-grupper. Alla ämnen som liknar struktur och egenskaper kombineras till homologa serier. Efter att ha studerat egenskaperna hos en homolog kan man resonera om vilken annan av dem som helst. Uppsättningen av homologer är en homolog serie.
När man transformerar materiens strukturerde kemiska egenskaperna hos molekyler förändras dramatiskt. Även de enklaste föreningarna tjänar som ett exempel: metan, när det kombineras med ens en syreatom, blir en giftig vätska som kallas metanol (metylalkohol - CH3OH). Följaktligen blir dess kemiska komplementaritet och effekt på levande organismer annorlunda. Liknande men mer komplexa förändringar inträffar när man modifierar strukturerna hos biomolekyler.
Kemiska molekylära egenskaper beror starkt på molekylernas struktur och egenskaper: på energibindningarna i den och geometrin hos själva molekylen. Detta gäller särskilt i biologiskt aktiva föreningar. Vilken konkurrerande reaktion som kommer att vara dominerande bestäms ofta endast av rumsliga faktorer, som i sin tur beror på de initiala molekylerna (deras konfiguration). En molekyl med en "obekväm" konfiguration kommer inte att reagera alls, medan en annan med samma kemiska sammansättning men en annan geometri kan reagera direkt.
Ett stort antal biologiska processer som observeras under tillväxt och reproduktion är förknippade med de geometriska förhållandena mellan reaktionsprodukterna och utgångsmaterialen. För din information: verkan av ett stort antal nya läkemedel är baserad på en liknande molekylstruktur hos en förening som är skadlig ur biologisk synvinkel för människokroppen. Läkemedlet ersätter den skadliga molekylen och gör det svårt att agera.
Med hjälp av kemiska formler uttrycks sammansättningen och egenskaperna hos olika ämnens molekyler. Baserat på molekylvikten, kemisk analys, fastställs och sammanställs atomförhållandetempirisk formel.
Geometry
Bestämning av den geometriska strukturen för en molekyl görs med hänsyn till atomkärnors jämviktsarrangemang. Energin för växelverkan mellan atomer beror på avståndet mellan atomernas kärnor. På mycket stora avstånd är denna energi noll. När atomerna närmar sig varandra börjar en kemisk bindning bildas. Då attraheras atomerna starkt till varandra.
Om det finns en svag attraktion är det inte nödvändigt att bilda en kemisk bindning. Om atomerna börjar närma sig på närmare avstånd börjar elektrostatiska repulsiva krafter verka mellan kärnorna. Ett hinder för en stark konvergens av atomer är inkompatibiliteten hos deras inre elektronskal.
Sizes
Det är omöjligt att se molekyler med blotta ögat. De är så små att inte ens ett mikroskop med 1000x förstoring hjälper oss att se dem. Biologer observerar bakterier så små som 0,001 mm. Men molekyler är hundratals och tusentals gånger mindre.
Idag bestäms strukturen av molekyler av ett visst ämne med diffraktionsmetoder: neutrondiffraktion, röntgendiffraktionsanalys. Det finns också vibrationsspektroskopi och den elektronparamagnetiska metoden. Valet av metod beror på typen av ämne och dess tillstånd.
Storleken på en molekyl är ett villkorligt värde, med hänsyn till elektronskalet. Punkten är avstånden mellan elektroner från atomkärnor. Ju större de är, desto mindre sannolikt är det att hitta molekylens elektroner. I praktiken kan storleken på molekylerna bestämmas genom att ta hänsyn till jämviktsavståndet. Detta är intervallet för vilket molekylerna själva kan närma sig varandra när de är tätt packade i en molekylär kristall och i en vätska.
Stora avstånd har molekyler att locka till sig, och små, tvärtom, till avstötning. Därför hjälper röntgendiffraktionsanalys av molekylära kristaller att hitta molekylens dimensioner. Med hjälp av diffusionskoefficienten, värmeledningsförmågan och viskositeten för gaser, samt densiteten för ett ämne i kondenserat tillstånd, kan man bestämma storleksordningen på molekylstorlekar.
