Visi mus supantys kūnai yra sudaryti iš atomų. Atomai, savo ruožtu, susirenka į molekulę. Būtent dėl molekulinės sandaros skirtumo galima kalbėti apie medžiagas, kurios skiriasi viena nuo kitos pagal savo savybes ir parametrus. Molekulės ir atomai visada yra dinamikos būsenoje. Judėdami jie vis tiek neišsisklaido į skirtingas puses, o yra laikomi tam tikroje struktūroje, kurią mes skolingi dėl tokios didžiulės medžiagų įvairovės visame mus supančiame pasaulyje. Kas yra šios dalelės ir kokios jų savybės?
Bendrosios sąvokos
Jei pradėsime nuo kvantinės mechanikos teorijos, tai molekulė susideda ne iš atomų, o iš jų branduolių ir elektronų, kurie nuolat sąveikauja tarpusavyje.
Kai kurioms medžiagoms molekulė yra mažiausia dalelė, turinti pačios medžiagos sudėtį ir chemines savybes. Taigi, molekulių savybes chemijos požiūriu lemia jų cheminė struktūra irkompozicija. Tačiau tik medžiagoms, turinčioms molekulinę struktūrą, galioja taisyklė: cheminės medžiagų ir molekulių savybės yra vienodos. Kai kurių polimerų, tokių kaip etilenas ir polietilenas, sudėtis neatitinka molekulinės sudėties.
Žinoma, kad molekulių savybes lemia ne tik atomų skaičius, jų tipas, bet ir konfigūracija, jungimosi tvarka. Molekulė yra sudėtinga architektūrinė struktūra, kurioje kiekvienas elementas stovi savo vietoje ir turi savo specifinius kaimynus. Atominė struktūra gali būti daugiau ar mažiau standi. Kiekvienas atomas vibruoja apie savo pusiausvyros padėtį.
Konfigūracija ir parametrai
Būna, kad kai kurios molekulės dalys sukasi kitų dalių atžvilgiu. Taigi šiluminio judėjimo procese laisva molekulė įgauna keistų formų (konfigūracijų).
Iš esmės molekulių savybes lemia ryšys (jo tipas) tarp atomų ir pačios molekulės architektūra (struktūra, forma). Taigi, visų pirma, bendroji cheminė teorija nagrinėja cheminius ryšius ir yra pagrįsta atomų savybėmis.
Esant stipriam poliškumui, molekulių savybes sunku apibūdinti dviejų ar trijų pastovių koreliacijomis, kurios puikiai tinka nepolinėms molekulėms. Todėl buvo įvestas papildomas parametras su dipolio momentu. Tačiau šis metodas ne visada sėkmingas, nes polinės molekulės turi individualių savybių. Taip pat buvo pasiūlyti parametrai, skirti atsižvelgti į kvantinius efektus, kurie svarbūs esant žemai temperatūrai.
Ką žinome apie labiausiai paplitusios Žemėje medžiagos molekulę?
Iš visų mūsų planetoje esančių medžiagų labiausiai paplitusi yra vanduo. Ji tiesiogine prasme suteikia gyvybę viskam, kas egzistuoja Žemėje. Be jo gali apsieiti tik virusai, o likusios jų sudėties gyvos struktūros dažniausiai turi vandens. Kokios vandens molekulės savybės, būdingos tik jai, naudojamos ekonominiame žmogaus ir Žemės gyvūnijos gyvenime?
Galų gale, tai tikrai unikali medžiaga! Jokia kita medžiaga negali pasigirti vandeniui būdingų savybių rinkiniu.
Vanduo yra pagrindinis tirpiklis gamtoje. Visos reakcijos, vykstančios gyvuose organizmuose, vienaip ar kitaip, vyksta vandens aplinkoje. Tai reiškia, kad medžiagos reaguoja būdamos ištirpusios.
Vanduo turi puikią šiluminę talpą, bet mažą šilumos laidumą. Šių savybių dėka galime naudoti kaip šilumos transportą. Šis principas įtrauktas į daugelio organizmų aušinimo mechanizmą. Branduolinės energetikos pramonėje dėl vandens molekulės savybių ši medžiaga buvo naudojama kaip aušinimo skystis. Be to, kad vanduo gali būti reaktyvioji terpė kitoms medžiagoms, pats vanduo gali sukelti reakcijas: fotolizę, hidrataciją ir kitas.
Natūralus grynas vanduo yra bekvapis, bespalvis ir beskonis skystis. Bet kai sluoksnio storis didesnis nei 2 metrai, spalva tampa melsva.
Visa vandens molekulė yra dipolis (du priešingi poliai). Tai yra dipolio struktūradaugiausia lemia neįprastas šios medžiagos savybes. Vandens molekulė yra diamagnetas.
Metalinis vanduo turi dar vieną įdomią savybę: jo molekulė įgauna aukso pjūvio struktūrą, o medžiagos struktūra – aukso pjūvio proporcijas. Daugelis vandens molekulės savybių buvo nustatytos analizuojant dryžuotų spektrų sugertį ir emisiją dujų fazėje.
Mokslas ir molekulinės savybės
Visos medžiagos, išskyrus chemines, turi fizines jų struktūrą sudarančių molekulių savybes.
Fizikoje molekulių sąvoka naudojama kietųjų medžiagų, skysčių ir dujų savybėms paaiškinti. Visų medžiagų gebėjimą difuzuoti, jų klampumą, šilumos laidumą ir kitas savybes lemia molekulių judrumas. Kai prancūzų fizikas Jeanas Perrinas tyrinėjo Brauno judėjimą, jis eksperimentiškai įrodė molekulių egzistavimą. Visi gyvi organizmai egzistuoja dėl tiksliai subalansuotos vidinės sąveikos struktūroje. Visos cheminės ir fizinės medžiagų savybės yra labai svarbios gamtos mokslui. Fizikos, chemijos, biologijos ir molekulinės fizikos raida paskatino tokį mokslą kaip molekulinė biologija, tiriančią pagrindinius gyvenimo reiškinius.
Naudojant statistinę termodinamiką, fizikinės molekulių savybės, kurios nustatomos molekuline spektroskopija, fizikinėje chemijoje nustato medžiagų termodinamines savybes, būtinas cheminei pusiausvyrai apskaičiuoti ir jos susidarymo greičiui.
Kuo skiriasi atomų ir molekulių savybės?
Visų pirma, atomai nebūna laisvoje būsenoje.
Molekulių optiniai spektrai yra turtingesni. Taip yra dėl mažesnės sistemos simetrijos ir naujų branduolių apsisukimų bei svyravimų atsiradimo galimybės. Molekulės bendrą energiją sudaro trys energijos, kurios skiriasi komponentų dydžiu:
- elektroninis apvalkalas (optinė arba ultravioletinė spinduliuotė);
- branduolių virpesiai (infraraudonoji spektro dalis);
- molekulės kaip visumos sukimasis (radijo dažnių diapazonas).
Atomai skleidžia būdingus linijų spektrus, o molekulės skleidžia dryžuotus spektrus, sudarytus iš daugybės glaudžiai išdėstytų linijų.
Spektrinė analizė
Optines, elektrines, magnetines ir kitas molekulės savybes taip pat lemia ryšys su bangų funkcijomis. Duomenys apie molekulių būsenas ir galimą perėjimą tarp jų rodo molekulinius spektrus.
Perėjimai (elektroniniai) molekulėse rodo cheminius ryšius ir jų elektronų apvalkalo struktūrą. Spektrai, turintys daugiau jungčių, turi ilgos bangos ilgio sugerties juostas, kurios patenka į matomą sritį. Jei medžiaga yra sudaryta iš tokių molekulių, ji turi būdingą spalvą. Tai visi organiniai dažai.
Tos pačios medžiagos molekulių savybės yra vienodos visose agregacijos būsenose. Tai reiškia, kad tose pačiose medžiagose skystų, dujinių medžiagų molekulių savybės nesiskiria nuo kietosios medžiagos savybių. Vienos medžiagos molekulė visada turi tą pačią struktūrą, nepaisantpačios medžiagos visuminė būsena.
Elektros duomenys
Medžiagos elgesį elektriniame lauke lemia molekulių elektrinės charakteristikos: poliarizacija ir nuolatinis dipolio momentas.
Dipolio momentas yra molekulės elektrinė asimetrija. Molekulės, turinčios simetrijos centrą, pvz., H2, neturi nuolatinio dipolio momento. Molekulės elektroninio apvalkalo gebėjimas judėti veikiant elektriniam laukui, dėl kurio jame susidaro indukuotas dipolio momentas, yra poliarizuotumas. Norint sužinoti poliarizuotumo ir dipolio momento reikšmę, būtina išmatuoti laidumą.
Šviesos bangos elgesys kintamajame elektriniame lauke pasižymi optinėmis medžiagos savybėmis, kurias lemia šios medžiagos molekulės poliarizacija. Su poliarizuotumu tiesiogiai susiję: sklaida, lūžis, optinis aktyvumas ir kiti molekulinės optikos reiškiniai.
Dažnai galima išgirsti klausimą: „Nuo ko, be molekulių, priklauso medžiagos savybės? Atsakymas gana paprastas.
Medžiagų savybes, išskyrus izometriją ir kristalinę struktūrą, lemia aplinkos temperatūra, pati medžiaga, slėgis, priemaišų buvimas.
Molekulių chemija
Prieš susiformuojant kvantinės mechanikos mokslui, cheminių jungčių molekulėse prigimtis buvo neišspręsta paslaptis. Klasikinė fizika paaiškina kryptingumą irvalentinių ryšių prisotinimas negalėjo. Sukūrus pagrindinę teorinę informaciją apie cheminį ryšį (1927 m.), naudojant paprasčiausios H2 molekulės pavyzdį, teorija ir skaičiavimo metodai buvo palaipsniui tobulinami. Pavyzdžiui, remiantis plačiai paplitusiu molekulinių orbitų metodu, kvantine chemija, atsirado galimybė apskaičiuoti tarpatominius atstumus, molekulių ir cheminių ryšių energiją, elektronų tankio pasiskirstymą ir kitus duomenis, kurie visiškai sutapo su eksperimentiniais duomenimis.
Medžiagos, kurių sudėtis vienoda, bet skiriasi chemine struktūra ir skirtingomis savybėmis, vadinamos struktūriniais izomerais. Jie turi skirtingas struktūrines formules, bet tas pačias molekulines formules.
Žinomi įvairūs struktūrinės izomerijos tipai. Skirtumai slypi anglies skeleto struktūroje, funkcinės grupės padėtyje arba daugialypės jungties padėtyje. Be to, vis dar yra erdvinių izomerų, kuriuose medžiagos molekulės savybės pasižymi ta pačia sudėtimi ir chemine struktūra. Todėl ir struktūrinės, ir molekulinės formulės yra vienodos. Skirtumai slypi erdvinėje molekulės formoje. Skirtingiems erdviniams izomerams pavaizduoti naudojamos specialios formulės.
Yra junginių, kurie vadinami homologais. Jie yra panašūs savo struktūra ir savybėmis, tačiau skiriasi viena ar keliomis CH2 grupėmis. Visos panašios struktūros ir savybių medžiagos yra sujungtos į homologines serijas. Ištyrus vieno homologo savybes, galima samprotauti apie bet kurį kitą. Homologų rinkinys yra homologinė serija.
Perkeičiant materijos struktūrasstipriai pasikeičia molekulių cheminės savybės. Pavyzdžiu tarnauja net patys paprasčiausi junginiai: metanas, susijungęs net su vienu deguonies atomu, virsta nuodingu skysčiu, vadinamu metanoliu (metilo alkoholiu – CH3OH). Atitinkamai skiriasi jo cheminis papildymas ir poveikis gyviems organizmams. Panašūs, bet sudėtingesni pokyčiai vyksta keičiant biomolekulių struktūras.
Cheminės molekulinės savybės labai priklauso nuo molekulių struktūros ir savybių: nuo jose esančių energetinių ryšių ir pačios molekulės geometrijos. Tai ypač pasakytina apie biologiškai aktyvius junginius. Kuri konkuruojanti reakcija bus vyraujanti, dažnai lemia tik erdviniai veiksniai, kurie savo ruožtu priklauso nuo pradinių molekulių (jų konfigūracijos). Viena „nepatogios“konfigūracijos molekulė visiškai nereaguos, o kita, kurios cheminė sudėtis tokia pati, bet kitokios geometrijos, gali sureaguoti akimirksniu.
Daug augimo ir dauginimosi metu stebimų biologinių procesų yra susiję su geometriniais ryšiais tarp reakcijos produktų ir pradinių medžiagų. Jūsų žiniai: daugelio naujų vaistų veikimas pagrįstas panašia junginio molekuline struktūra, kuri biologiniu požiūriu yra kenksminga žmogaus organizmui. Vaistas užima kenksmingos molekulės vietą ir apsunkina jo veikimą.
Cheminių formulių pagalba išreiškiama skirtingų medžiagų molekulių sudėtis ir savybės. Remiantis molekuline mase, chemine analize, nustatomas ir sudarytas atominis santykisempirinė formulė.
Geometrija
Molekulės geometrinė struktūra nustatoma atsižvelgiant į pusiausvyrinį atomų branduolių išsidėstymą. Atomų sąveikos energija priklauso nuo atstumo tarp atomų branduolių. Labai dideliais atstumais ši energija lygi nuliui. Kai atomai artėja vienas prie kito, pradeda formuotis cheminis ryšys. Tada atomai stipriai traukia vienas kitą.
Jei yra silpna trauka, tai cheminio ryšio formavimas nėra būtinas. Jei atomai pradeda artėti artimesniais atstumais, tarp branduolių pradeda veikti elektrostatinės atstumiančios jėgos. Kliūtis stipriam atomų konvergencijai yra jų vidinių elektronų apvalkalų nesuderinamumas.
Dydžiai
Plika akimi molekulių pamatyti neįmanoma. Jie tokie maži, kad net 1000 kartų didinantis mikroskopas mums nepadės jų pamatyti. Biologai stebi net 0,001 mm dydžio bakterijas. Tačiau molekulės yra šimtus ir tūkstančius kartų mažesnės.
Šiandien tam tikros medžiagos molekulių struktūra nustatoma difrakcijos metodais: neutronų difrakcija, rentgeno spindulių difrakcijos analize. Taip pat yra virpesių spektroskopija ir elektronų paramagnetinis metodas. Metodo pasirinkimas priklauso nuo medžiagos tipo ir jos būklės.
Molekulės dydis yra sąlyginė reikšmė, atsižvelgiant į elektronų apvalkalą. Esmė yra elektronų atstumai nuo atomo branduolių. Kuo jie didesni, tuo mažesnė tikimybė rasti molekulės elektronus. Praktiškai molekulių dydį galima nustatyti atsižvelgiant į pusiausvyros atstumą. Tai yra intervalas, per kurį pačios molekulės gali priartėti viena prie kitos, kai yra tankiai supakuotos į molekulinį kristalą ir skystį.
Dideli atstumai turi pritraukti molekules, o maži, atvirkščiai, atstumia. Todėl molekulinių kristalų rentgeno difrakcinė analizė padeda rasti molekulės matmenis. Naudojant dujų difuzijos koeficientą, šilumos laidumą ir klampumą, taip pat kondensuotos medžiagos tankį, galima nustatyti molekulių dydžių eilę.
