Sva tijela koja nas okružuju sastavljena su od atoma. Atomi se zauzvrat sastavljaju u molekul. Upravo zbog razlike u molekularnoj strukturi može se govoriti o supstancama koje se međusobno razlikuju, na osnovu svojih svojstava i parametara. Molekuli i atomi su uvijek u stanju dinamike. Krećući se, oni se još uvijek ne raspršuju u različitim smjerovima, već se drže u određenoj strukturi, koju dugujemo postojanju tako ogromne raznolikosti tvari u cijelom svijetu oko nas. Šta su ove čestice i koja su njihova svojstva?
Opći koncepti
Ako krenemo od teorije kvantne mehanike, onda se molekula ne sastoji od atoma, već od njihovih jezgara i elektrona, koji su u stalnoj interakciji jedni s drugima.
Za neke supstance, molekul je najmanja čestica koja ima sastav i hemijska svojstva same supstance. Dakle, svojstva molekula sa stanovišta hemije su određena njegovom hemijskom strukturom ikompozicija. Ali samo za supstance sa molekularnom strukturom važi pravilo: hemijska svojstva supstanci i molekula su ista. Za neke polimere, kao što su etilen i polietilen, sastav ne odgovara molekularnom sastavu.
Poznato je da svojstva molekula nisu određena samo brojem atoma, njihovim tipom, već i konfiguracijom, redoslijedom povezivanja. Molekul je složena arhitektonska struktura u kojoj svaki element stoji na svom mjestu i ima svoje specifične susjede. Atomska struktura može biti manje ili više kruta. Svaki atom vibrira oko svog ravnotežnog položaja.
Konfiguracija i parametri
Dešava se da se neki dijelovi molekula rotiraju u odnosu na druge dijelove. Dakle, u procesu termičkog kretanja, slobodni molekul poprima bizarne oblike (konfiguracije).
U osnovi, svojstva molekula su određena vezom (njegov tip) između atoma i arhitekturom samog molekula (struktura, oblik). Dakle, pre svega, opšta hemijska teorija razmatra hemijske veze i zasniva se na svojstvima atoma.
Sa jakim polaritetom, svojstva molekula je teško opisati sa dvo- ili trokonstantnim korelacijama, koje su odlične za nepolarne molekule. Stoga je uveden dodatni parametar s dipolnim momentom. Ali ova metoda nije uvijek uspješna, jer polarni molekuli imaju individualne karakteristike. Predloženi su i parametri koji uzimaju u obzir kvantne efekte, koji su važni na niskim temperaturama.
Šta znamo o molekulu najčešće supstance na Zemlji?
Od svih supstanci na našoj planeti, najčešća je voda. Ona, u doslovnom smislu, daje život svemu što postoji na Zemlji. Bez toga mogu samo virusi, ostale žive strukture u svom sastavu uglavnom imaju vodu. Koja svojstva molekula vode, karakteristična samo za nju, koriste se u ekonomskom životu čovjeka i životinjskog svijeta na Zemlji?
Na kraju krajeva, ovo je zaista jedinstvena supstanca! Nijedna druga supstanca se ne može pohvaliti skupom svojstava svojstvenih vodi.
Voda je glavni rastvarač u prirodi. Sve reakcije koje se dešavaju u živim organizmima, na ovaj ili onaj način, odvijaju se u vodenoj sredini. To jest, supstance ulaze u reakcije dok su u otopljenom stanju.
Voda ima odličan toplotni kapacitet, ali nisku toplotnu provodljivost. Zahvaljujući ovim svojstvima, možemo ga koristiti kao prijenos topline. Ovaj princip je uključen u mehanizam hlađenja velikog broja organizama. U industriji nuklearne energije, svojstva molekule vode dovela su do upotrebe ove tvari kao rashladnog sredstva. Osim mogućnosti da bude reaktivni medij za druge tvari, sama voda može ulaziti u reakcije: fotolizu, hidrataciju i druge.
Prirodna čista voda je tečnost bez mirisa, boje i ukusa. Ali na debljini sloja većoj od 2 metra, boja postaje plavkasta.
Cijela molekula vode je dipol (dva suprotna pola). To je dipolna struktura uuglavnom određuje neobična svojstva ove supstance. Molekul vode je dijamagnet.
Metalna voda ima još jedno zanimljivo svojstvo: njen molekul dobija strukturu zlatnog preseka, a struktura supstance dobija proporcije zlatnog preseka. Mnoga svojstva molekula vode ustanovljena su analizom apsorpcije i emisije prugastih spektra u gasnoj fazi.
Nauka i molekularna svojstva
Sve supstance, osim hemijskih, imaju fizička svojstva molekula koji čine njihovu strukturu.
U fizičkoj nauci, koncept molekula se koristi za objašnjenje svojstava čvrstih materija, tečnosti i gasova. Sposobnost svih supstanci za difuziju, njihova viskoznost, toplotna provodljivost i druga svojstva određuju se mobilnošću molekula. Kada je francuski fizičar Jean Perrin proučavao Brownovo kretanje, eksperimentalno je dokazao postojanje molekula. Svi živi organizmi postoje zahvaljujući fino izbalansiranoj unutrašnjoj interakciji u strukturi. Sva hemijska i fizička svojstva supstanci su od fundamentalnog značaja za prirodnu nauku. Razvoj fizike, hemije, biologije i molekularne fizike doveo je do takve nauke kao što je molekularna biologija, koja proučava osnovne pojave u životu.
Koristeći statističku termodinamiku, fizička svojstva molekula, koja se određuju molekularnom spektroskopijom, u fizičkoj hemiji određuju termodinamička svojstva supstanci neophodnih za izračunavanje hemijske ravnoteže i brzine njenog uspostavljanja.
Koja je razlika između svojstava atoma i molekula?
Pre svega, atomi se ne javljaju u slobodnom stanju.
Molekuli imaju bogatije optičke spektre. To je zbog niže simetrije sistema i pojave mogućnosti novih rotacija i oscilacija jezgara. Za molekul, ukupna energija se sastoji od tri energije koje su različite po redu veličine komponenti:
- elektronska školjka (optičko ili ultraljubičasto zračenje);
- vibracije jezgara (infracrveni dio spektra);
- rotacija molekula u cjelini (radio frekvencijski opseg).
Atomi emituju karakteristične linijske spektre, dok molekuli emituju prugaste spektre koji se sastoje od mnogo blisko raspoređenih linija.
Spektralna analiza
Optička, električna, magnetna i druga svojstva molekula također su određena vezom sa valnim funkcijama. Podaci o stanjima molekula i vjerovatnom prijelazu između njih pokazuju molekularne spektre.
Tranzicije (elektronske) u molekulima pokazuju hemijske veze i strukturu njihovih elektronskih omotača. Spektri sa više veza imaju duge talasne dužine apsorpcionih pojaseva koji padaju u vidljivo područje. Ako je supstanca izgrađena od takvih molekula, ona ima karakterističnu boju. Ovo su sve organske boje.
Svojstva molekula iste supstance su ista u svim stanjima agregacije. To znači da se u istim supstancama svojstva molekula tekućih, plinovitih tvari ne razlikuju od svojstava čvrstih. Molekul jedne supstance uvijek ima istu strukturu, bez obzira nasamo agregatno stanje materije.
Električni podaci
Način na koji se supstanca ponaša u električnom polju određen je električnim karakteristikama molekula: polarizabilnost i stalni dipolni moment.
Dipolni moment je električna asimetrija molekula. Molekuli koji imaju centar simetrije kao H2 nemaju trajni dipolni moment. Sposobnost elektronske ljuske molekula da se kreće pod utjecajem električnog polja, uslijed čega se u njoj formira inducirani dipolni moment, je polarizabilnost. Da biste pronašli vrijednost polarizabilnosti i dipolnog momenta, potrebno je izmjeriti permitivnost.
Ponašanje svjetlosnog vala u naizmjeničnom električnom polju karakteriziraju optička svojstva tvari, koja su određena polarizabilnošću molekula ove tvari. U direktnoj vezi sa polarizabilnošću su: rasejanje, refrakcija, optička aktivnost i drugi fenomeni molekularne optike.
Često se može čuti pitanje: "Od čega, osim molekula, zavise svojstva supstance?" Odgovor je prilično jednostavan.
Svojstva supstanci, osim izometrije i kristalne strukture, određuju se temperaturom okoline, samom supstancom, pritiskom, prisustvom nečistoća.
Hemija molekula
Prije formiranja nauke o kvantnoj mehanici, priroda hemijskih veza u molekulima bila je neriješena misterija. Klasična fizika objašnjava usmjerenost izasićenje valentnih veza nije moglo. Nakon stvaranja osnovnih teoretskih podataka o hemijskoj vezi (1927.) na primjeru najjednostavnijeg molekula H2, teorija i metode proračuna počele su se postepeno usavršavati. Na primjer, na osnovu široke upotrebe metode molekularnih orbitala, kvantne hemije, postalo je moguće izračunati međuatomske udaljenosti, energiju molekula i hemijskih veza, distribuciju elektronske gustine i druge podatke koji su se potpuno poklapali sa eksperimentalnim podacima.
Tvari istog sastava, ali različite hemijske strukture i različitih svojstava, nazivaju se strukturnim izomeri. Imaju različite strukturne formule, ali iste molekularne formule.
Poznate su različite vrste strukturnih izomerizma. Razlike leže u strukturi karbonskog skeleta, položaju funkcionalne grupe ili položaju višestruke veze. Osim toga, još uvijek postoje prostorni izomeri u kojima svojstva molekula tvari karakteriziraju isti sastav i kemijska struktura. Stoga su i strukturne i molekularne formule iste. Razlike leže u prostornom obliku molekula. Posebne formule se koriste za predstavljanje različitih prostornih izomera.
Postoje spojevi koji se nazivaju homolozi. Slične su strukture i svojstava, ali se razlikuju po sastavu za jednu ili više CH2 grupa. Sve supstance slične strukture i svojstava su kombinovane u homologne serije. Nakon proučavanja svojstava jednog homologa, može se zaključiti o bilo kojem drugom od njih. Skup homologa je homologna serija.
Kada transformišete strukture materijehemijska svojstva molekula se dramatično menjaju. Čak i najjednostavniji spojevi služe kao primjer: metan, kada se spoji čak s jednim atomom kisika, postaje otrovna tekućina koja se zove metanol (metil alkohol - CH3OH). Shodno tome, njegova hemijska komplementarnost i uticaj na žive organizme postaju drugačiji. Slične, ali složenije promjene se dešavaju kada se modificiraju strukture biomolekula.
Kemijska svojstva molekula snažno zavise od strukture i svojstava molekula: od energetskih veza u njima i geometrije samog molekula. Ovo se posebno odnosi na biološki aktivne spojeve. Koja će konkurentska reakcija biti dominantna, često je određeno samo prostornim faktorima, koji zauzvrat zavise od početnih molekula (njihove konfiguracije). Jedan molekul sa "neudobnom" konfiguracijom neće uopšte reagovati, dok drugi sa istim hemijskim sastavom, ali drugačije geometrije može reagovati trenutno.
Veliki broj bioloških procesa uočenih tokom rasta i razmnožavanja povezan je sa geometrijskim odnosima između produkta reakcije i polaznih materijala. Za vašu informaciju: djelovanje značajnog broja novih lijekova zasniva se na sličnoj molekularnoj strukturi jedinjenja koje je s biološke tačke gledišta štetno za ljudski organizam. Lijek zauzima mjesto štetnog molekula i otežava djelovanje.
Uz pomoć hemijskih formula izražava se sastav i svojstva molekula različitih supstanci. Na osnovu molekularne težine, hemijske analize, uspostavlja se i sastavlja atomski odnosempirijska formula.
Geometrija
Određivanje geometrijske strukture molekula vrši se uzimajući u obzir ravnotežni raspored atomskih jezgara. Energija interakcije atoma ovisi o udaljenosti između jezgara atoma. Na veoma velikim udaljenostima ova energija je nula. Kako se atomi približavaju jedan drugom, počinje da se formira hemijska veza. Tada se atomi snažno privlače jedan prema drugom.
Ako postoji slaba privlačnost, formiranje hemijske veze nije potrebno. Ako se atomi počnu približavati na bliže udaljenosti, između jezgri počinju djelovati elektrostatičke odbojne sile. Prepreka snažnoj konvergenciji atoma je nekompatibilnost njihovih unutrašnjih elektronskih omotača.
Veličine
Molekule je nemoguće vidjeti golim okom. Toliko su male da nam čak ni mikroskop sa povećanjem od 1000x neće pomoći da ih vidimo. Biolozi primećuju bakterije veličine samo 0,001 mm. Ali molekuli su stotine i hiljade puta manji.
Danas se struktura molekula određene supstance utvrđuje difrakcijskim metodama: neutronska difrakcija, analiza difrakcije rendgenskih zraka. Postoji i vibraciona spektroskopija i elektronska paramagnetna metoda. Izbor metode zavisi od vrste supstance i njenog stanja.
Veličina molekula je uslovna vrijednost, uzimajući u obzir elektronsku ljusku. Poenta su udaljenosti elektrona od atomskih jezgara. Što su oni veći, manja je vjerovatnoća da će se pronaći elektroni molekula. U praksi se veličina molekula može odrediti uzimajući u obzir ravnotežnu udaljenost. Ovo je interval za koji se sami molekuli mogu približiti jedni drugima kada su gusto spakovani u molekularnom kristalu iu tekućini.
Velike udaljenosti imaju molekule za privlačenje, a male, naprotiv, za odbijanje. Stoga, analiza difrakcije rendgenskih zraka molekularnih kristala pomaže u pronalaženju dimenzija molekula. Koristeći koeficijent difuzije, toplotnu provodljivost i viskozitet gasova, kao i gustinu supstance u kondenzovanom stanju, može se odrediti red veličine molekulskih veličina.
