Vsa telesa, ki nas obdajajo, so sestavljena iz atomov. Atomi pa se sestavijo v molekulo. Zaradi razlike v molekularni strukturi lahko govorimo o snoveh, ki se med seboj razlikujejo glede na njihove lastnosti in parametre. Molekule in atomi so vedno v stanju dinamike. Ko se premikajo, se še vedno ne razpršijo v različne smeri, ampak se držijo v določeni strukturi, ki jo dolgujemo obstoju tako velike raznolikosti snovi v celotnem svetu okoli nas. Kaj so ti delci in kakšne so njihove lastnosti?
Splošni koncepti
Če izhajamo iz teorije kvantne mehanike, potem molekula ni sestavljena iz atomov, temveč iz njihovih jeder in elektronov, ki nenehno medsebojno delujejo.
Za nekatere snovi je molekula najmanjši delec, ki ima sestavo in kemične lastnosti same snovi. Torej so lastnosti molekul z vidika kemije določene z njihovo kemično strukturo insestavo. Toda samo za snovi z molekularno strukturo velja pravilo: kemijske lastnosti snovi in molekul so enake. Za nekatere polimere, kot sta etilen in polietilen, se sestava ne ujema z molekularno sestavo.
Znano je, da lastnosti molekul ne določajo le število atomov, njihova vrsta, temveč tudi konfiguracija, vrstni red povezave. Molekula je zapletena arhitekturna struktura, kjer vsak element stoji na svojem mestu in ima svoje specifične sosede. Atomska struktura je lahko bolj ali manj toga. Vsak atom vibrira okoli svojega ravnotežnega položaja.
Konfiguracija in parametri
Zgodi se, da se nekateri deli molekule vrtijo glede na druge dele. Torej, v procesu toplotnega gibanja, prosta molekula prevzame bizarne oblike (konfiguracije).
V bistvu so lastnosti molekul določene z vezjo (njegov tip) med atomi in arhitekturo same molekule (struktura, oblika). Tako splošna kemijska teorija najprej upošteva kemične vezi in temelji na lastnostih atomov.
Z močno polarnostjo je lastnosti molekul težko opisati z dvo- ali tri-konstantnimi korelacijami, ki so odlične za nepolarne molekule. Zato je bil uveden dodaten parameter z dipolnim momentom. Toda ta metoda ni vedno uspešna, saj imajo polarne molekule individualne značilnosti. Predlagani so bili tudi parametri, ki upoštevajo kvantne učinke, ki so pomembni pri nizkih temperaturah.
Kaj vemo o molekuli najpogostejše snovi na Zemlji?
Od vseh snovi na našem planetu je najpogostejša voda. V dobesednem pomenu zagotavlja življenje vsemu, kar obstaja na Zemlji. Brez tega lahko samo virusi, ostale žive strukture v svoji sestavi imajo večinoma vodo. Katere lastnosti molekule vode, značilne samo zanjo, se uporabljajo v gospodarskem življenju človeka in divjih živali na Zemlji?
Navsezadnje je to resnično edinstvena snov! Nobena druga snov se ne more pohvaliti z nizom lastnosti, ki so lastne vodi.
Voda je glavno topilo v naravi. Vse reakcije, ki se tako ali drugače pojavljajo v živih organizmih, se pojavljajo v vodnem okolju. To pomeni, da snovi vstopijo v reakcije, ko so v raztopljenem stanju.
Voda ima odlično toplotno zmogljivost, vendar nizko toplotno prevodnost. Zahvaljujoč tem lastnostim ga lahko uporabimo kot prenos toplote. To načelo je vključeno v hladilni mehanizem velikega števila organizmov. V jedrski energetiki so lastnosti molekule vode povzročile uporabo te snovi kot hladilne tekočine. Poleg možnosti, da je reaktivni medij za druge snovi, lahko voda sama vstopi v reakcije: fotolizo, hidracijo in druge.
Naravna čista voda je tekočina brez vonja, barve in okusa. Toda pri debelini plasti, večji od 2 metra, barva postane modrikasta.
Celotna molekula vode je dipol (dva nasprotna pola). To je dipolna struktura vdoloča predvsem nenavadne lastnosti te snovi. Molekula vode je diamagnet.
Kovinska voda ima še eno zanimivo lastnost: njena molekula pridobi strukturo zlatega reza, struktura snovi pa dobi deleže zlatega reza. Številne lastnosti molekule vode so bile ugotovljene z analizo absorpcije in emisije črtastih spektrov v plinski fazi.
Znanost in molekularne lastnosti
Vse snovi, razen kemičnih, imajo fizikalne lastnosti molekul, ki sestavljajo njihovo strukturo.
V fizikalni znanosti se koncept molekul uporablja za razlago lastnosti trdnih snovi, tekočin in plinov. Sposobnost vseh snovi za difuzijo, njihova viskoznost, toplotna prevodnost in druge lastnosti so določene z mobilnostjo molekul. Ko je francoski fizik Jean Perrin preučeval Brownovo gibanje, je eksperimentalno dokazal obstoj molekul. Vsi živi organizmi obstajajo zaradi fino uravnotežene notranje interakcije v strukturi. Vse kemijske in fizikalne lastnosti snovi so temeljnega pomena za naravoslovje. Z razvojem fizike, kemije, biologije in molekularne fizike je nastala znanost, kot je molekularna biologija, ki proučuje osnovne pojave v življenju.
Z uporabo statistične termodinamike fizikalne lastnosti molekul, ki jih določa molekularna spektroskopija, v fizikalni kemiji določajo termodinamične lastnosti snovi, ki so potrebne za izračun kemičnih ravnovesij in stopenj njegove vzpostavitve.
Kakšna je razlika med lastnostmi atomov in molekul?
Prvič, atomi se ne pojavljajo v prostem stanju.
Molekule imajo bogatejši optični spekter. To je posledica nižje simetrije sistema in pojava možnosti novih rotacije in nihanja jeder. Za molekulo je skupna energija sestavljena iz treh energij, ki se razlikujejo po vrstnem redu komponent:
- elektronska lupina (optično ali ultravijolično sevanje);
- vibracije jeder (infrardeči del spektra);
- rotacija molekule kot celote (radiofrekvenčno območje).
Atomi oddajajo značilne linijske spektre, medtem ko molekule oddajajo črtaste spektre, sestavljene iz številnih tesno razporejenih črt.
Spektralna analiza
Optične, električne, magnetne in druge lastnosti molekule določa tudi povezava z valovnimi funkcijami. Podatki o stanjih molekul in verjetnem prehodu med njimi kažejo molekularne spektre.
Prehodi (elektronski) v molekulah kažejo kemične vezi in strukturo njihovih elektronskih lupin. Spektri z več povezavami imajo dolgovalovne absorpcijske pasove, ki spadajo v vidno območje. Če je snov zgrajena iz takšnih molekul, ima značilno barvo. Vse to so organska barvila.
Lastnosti molekul iste snovi so enake v vseh agregacijskih stanjih. To pomeni, da se v istih snoveh lastnosti molekul tekočih, plinastih snovi ne razlikujejo od lastnosti trdnih snovi. Molekula ene snovi ima vedno enako strukturo, ne glede nasamo agregatno stanje snovi.
električni podatki
Način obnašanja snovi v električnem polju je določen z električnimi lastnostmi molekul: polarizabilnostjo in trajnim dipolnim momentom.
Dipolni moment je električna asimetrija molekule. Molekule, ki imajo središče simetrije, kot je H2, nimajo trajnega dipolnega momenta. Sposobnost elektronske lupine molekule, da se premika pod vplivom električnega polja, zaradi česar v njej nastane inducirani dipolni moment, je polarizabilnost. Da bi našli vrednost polarizabilnosti in dipolnega momenta, je potrebno izmeriti permitivnost.
Obnašanje svetlobnega vala v izmeničnem električnem polju je značilno po optičnih lastnostih snovi, ki jih določa polarizabilnost molekule te snovi. S polarizabilnostjo so neposredno povezani: sipanje, lom, optična aktivnost in drugi pojavi molekularne optike.
Pogosto slišimo vprašanje: "Od česa so poleg molekul odvisne lastnosti snovi?" Odgovor je precej preprost.
Lastnosti snovi, razen izometrije in kristalne strukture, določajo temperatura okolja, sama snov, tlak, prisotnost nečistoč.
kemija molekul
Pred nastankom znanosti kvantne mehanike je bila narava kemičnih vezi v molekulah nerešena skrivnost. Klasična fizika pojasnjuje usmerjenost innasičenost valenčnih vezi ni mogla. Po izdelavi osnovnih teoretičnih informacij o kemični vezi (1927) na primeru najpreprostejše molekule H2 so se teorija in metode izračuna začele postopoma izboljševati. Na primer, na podlagi široke uporabe metode molekularnih orbital, kvantne kemije, je postalo mogoče izračunati medatomske razdalje, energijo molekul in kemičnih vezi, porazdelitev elektronske gostote in druge podatke, ki so popolnoma sovpadali z eksperimentalnimi podatki.
Snovi z enako sestavo, vendar drugačno kemično strukturo in različnimi lastnostmi, se imenujejo strukturni izomeri. Imajo različne strukturne formule, vendar enake molekularne formule.
Poznane so različne vrste strukturnih izomerij. Razlike so v strukturi ogljikovega skeleta, položaju funkcionalne skupine ali položaju večkratne vezi. Poleg tega še vedno obstajajo prostorski izomeri, pri katerih je za lastnosti molekule snovi značilna enaka sestava in kemična struktura. Zato sta tako strukturna kot molekularna formula enaki. Razlike so v prostorski obliki molekule. Za predstavitev različnih prostorskih izomerov se uporabljajo posebne formule.
Obstajajo spojine, ki se imenujejo homologi. So podobni po strukturi in lastnostih, vendar se po sestavi razlikujejo za eno ali več skupin CH2. Vse snovi, podobne po strukturi in lastnostih, so združene v homologne serije. Po preučevanju lastnosti enega homologa lahko sklepamo o katerem koli drugem od njih. Nabor homologov je homologna serija.
Pri preoblikovanju struktur materijekemične lastnosti molekul se dramatično spremenijo. Celo najpreprostejše spojine služijo kot primer: metan v kombinaciji s celo enim atomom kisika postane strupena tekočina, imenovana metanol (metilni alkohol - CH3OH). V skladu s tem postaneta njegova kemična komplementarnost in učinek na žive organizme drugačna. Podobne, a bolj zapletene spremembe se pojavijo pri spreminjanju struktur biomolekul.
Kemične molekularne lastnosti so močno odvisne od strukture in lastnosti molekul: od energijskih vezi v njej in geometrije same molekule. To še posebej velja za biološko aktivne spojine. Katera konkurenčna reakcija bo prevladujoča, pogosto določajo le prostorski dejavniki, ki pa so odvisni od začetnih molekul (njihove konfiguracije). Ena molekula z "neudobno" konfiguracijo sploh ne bo reagirala, medtem ko druga z enako kemično sestavo, vendar drugačno geometrijo, lahko reagira takoj.
Veliko število bioloških procesov, opaženih med rastjo in razmnoževanjem, je povezano z geometrijskimi razmerji med reakcijskimi produkti in izhodnimi snovmi. Za vašo informacijo: delovanje precejšnjega števila novih zdravil temelji na podobni molekularni zgradbi spojine, ki je z biološkega vidika škodljiva za človeško telo. Zdravilo zavzame mesto škodljive molekule in otežuje delovanje.
S pomočjo kemičnih formul se izrazi sestava in lastnosti molekul različnih snovi. Na podlagi molekulske mase, kemične analize se vzpostavi in sestavi atomsko razmerjeempirična formula.
Geometrija
Določanje geometrijske strukture molekule se izvede ob upoštevanju ravnotežne razporeditve atomskih jeder. Energija interakcije atomov je odvisna od razdalje med jedri atomov. Na zelo velikih razdaljah je ta energija enaka nič. Ko se atomi približujejo drug drugemu, se začne tvoriti kemična vez. Nato se atomi močno privlačijo drug drugega.
Če obstaja šibka privlačnost, potem tvorba kemične vezi ni potrebna. Če se atomi začnejo približevati na bližje razdalje, začnejo med jedri delovati elektrostatične odbojne sile. Ovira za močno konvergenco atomov je nezdružljivost njihovih notranjih elektronskih lupin.
Velikosti
Molekul je nemogoče videti s prostim očesom. So tako majhni, da nam jih ne bo pomagal videti niti mikroskop s 1000-kratno povečavo. Biologi opazijo bakterije, majhne od 0,001 mm. Toda molekule so stotine in tisočkrat manjše.
Danes se struktura molekul določene snovi določa z difrakcijskimi metodami: nevtronska difrakcija, rentgenska difrakcijska analiza. Obstajata tudi vibracijska spektroskopija in elektronska paramagnetna metoda. Izbira metode je odvisna od vrste snovi in njenega stanja.
Velikost molekule je pogojna vrednost, ki upošteva elektronsko lupino. Bistvo so oddaljenosti elektronov od atomskih jeder. Večji kot so, manjša je verjetnost, da bi našli elektrone molekule. V praksi lahko velikost molekul določimo z upoštevanjem ravnotežne razdalje. To je interval, v katerem se lahko same molekule približajo druga drugi, če so gosto zapakirane v molekularnem kristalu in v tekočini.
Velike razdalje imajo molekule za pritegnitev, majhne pa nasprotno, za odbijanje. Zato rentgenska difrakcijska analiza molekularnih kristalov pomaga najti dimenzije molekule. Z uporabo koeficienta difuzije, toplotne prevodnosti in viskoznosti plinov ter gostote snovi v kondenziranem stanju je mogoče določiti vrstni red velikosti molekul.
