Бізді қоршап тұрған барлық денелер атомдардан тұрады. Атомдар, өз кезегінде, молекулаға жиналады. Молекулярлық құрылымның айырмашылығына байланысты қасиеттері мен параметрлері бойынша бір-бірінен ерекшеленетін заттар туралы айтуға болады. Молекулалар мен атомдар әрқашан динамикалық күйде болады. Қозғалыс кезінде олар әлі де әр түрлі бағытта шашырамайды, бірақ белгілі бір құрылымда ұсталады, бұл бізді қоршаған әлемде заттардың өте алуан түрлілігінің болуына байланысты. Бұл бөлшектер қандай және олардың қасиеттері қандай?
Жалпы түсініктер
Егер кванттық механика теориясынан бастасақ, онда молекула атомдардан емес, олардың бір-бірімен үнемі әрекеттесетін ядролары мен электрондарынан тұрады.
Кейбір заттар үшін молекула дегеніміз заттың өзінің құрамы мен химиялық қасиеттеріне ие ең кішкентай бөлшек. Сонымен, химия тұрғысынан молекулалардың қасиеттері оның химиялық құрылымымен және анықталадықұрамы. Бірақ тек молекулалық құрылымы бар заттар үшін ереже жұмыс істейді: заттар мен молекулалардың химиялық қасиеттері бірдей. Этилен және полиэтилен сияқты кейбір полимерлер үшін композиция молекулалық құрамға сәйкес келмейді.
Молекулалардың қасиеттері атомдар санымен, олардың типімен ғана емес, конфигурациясымен, қосылу ретімен де анықталатыны белгілі. Молекула - күрделі архитектуралық құрылым, мұнда әрбір элемент өз орнында тұрады және оның белгілі көршілері болады. Атом құрылымы азды-көпті қатаң болуы мүмкін. Әрбір атом өзінің тепе-теңдік күйінде тербеледі.
Конфигурация және параметрлер
Молекуланың кейбір бөліктері басқа бөліктерге қатысты айналады. Сонымен, жылулық қозғалыс процесінде бос молекула біртүрлі пішіндерге (конфигурацияларға) ие болады.
Негізінен, молекулалардың қасиеттері атомдар арасындағы байланыс (оның түрі) және молекуланың өзінің архитектурасы (құрылысы, пішіні) арқылы анықталады. Осылайша, ең алдымен, жалпы химиялық теория химиялық байланыстарды қарастырады және атомдардың қасиеттеріне негізделген.
Күшті полярлығы бар молекулалардың қасиеттерін екі немесе үш тұрақты корреляциямен сипаттау қиын, бұл полярлы емес молекулалар үшін тамаша. Сондықтан дипольдік моменті бар қосымша параметр енгізілді. Бірақ бұл әдіс әрқашан сәтті бола бермейді, өйткені полярлы молекулалардың жеке сипаттамалары бар. Сондай-ақ төмен температураларда маңызды болып табылатын кванттық әсерлерді есепке алу үшін параметрлер ұсынылды.
Жердегі ең көп таралған заттың молекуласы туралы не білеміз?
Біздің планетамыздағы барлық заттардың ішінде ең көп таралғаны - су. Ол, тура мағынада, жер бетінде бар барлық нәрселерді өмірмен қамтамасыз етеді. Онсыз тек вирустар жасай алады, олардың құрамындағы тірі құрылымдардың көпшілігінде су бар. Су молекуласының тек өзіне ғана тән қандай қасиеттері адамның шаруашылық өмірінде және жердің жануарлар дүниесінде қолданылады?
Ақыр соңында, бұл шынымен бірегей зат! Басқа ешбір зат суға тән қасиеттер жиынтығымен мақтана алмайды.
Су – табиғаттағы негізгі еріткіш. Тірі организмдерде болатын барлық реакциялар су ортасында болады. Яғни, заттар еріген күйде реакцияға түседі.
Су тамаша жылу сыйымдылығына ие, бірақ жылу өткізгіштігі төмен. Осы қасиеттердің арқасында біз оны жылу тасымалдағыш ретінде пайдалана аламыз. Бұл принцип көптеген организмдердің салқындату механизміне кіреді. Атом энергетикасында су молекуласының қасиеттері бұл заттың салқындатқыш ретінде қолданылуына себеп болды. Басқа заттар үшін реактивті орта болу мүмкіндігінен басқа, судың өзі реакцияларға түсе алады: фотолиз, гидратация және т.б.
Табиғи таза су – иіссіз, түссіз және дәмсіз сұйықтық. Бірақ қабат қалыңдығы 2 метрден асса, түс көкшіл болады.
Бүкіл су молекуласы диполь (екі қарама-қарсы полюс). Бұл дипольдік құрылымнегізінен осы заттың әдеттен тыс қасиеттерін анықтайды. Су молекуласы диамагнит.
Металл суының тағы бір қызық қасиеті бар: оның молекуласы алтын қатынас құрылымына ие болады, ал зат құрылымы алтын қиманың пропорцияларына ие болады. Су молекуласының көптеген қасиеттері газ фазасындағы жолақты спектрлердің жұтылуы мен сәулеленуін талдау арқылы анықталды.
Ғылым және молекулалық қасиеттер
Химиялық заттардан басқа барлық заттар олардың құрылымын құрайтын молекулалардың физикалық қасиеттеріне ие.
Физика ғылымында қатты денелердің, сұйықтардың және газдардың қасиеттерін түсіндіру үшін молекулалар ұғымы қолданылады. Барлық заттардың диффузиялық қабілеті, олардың тұтқырлығы, жылу өткізгіштігі және басқа қасиеттері молекулалардың қозғалғыштығымен анықталады. Француз физигі Жан Перрен броундық қозғалысты зерттеген кезде молекулалардың бар екенін тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Барлық тірі организмдер құрылымдағы жақсы теңдестірілген ішкі өзара әрекеттесу арқасында өмір сүреді. Заттардың барлық химиялық және физикалық қасиеттерінің жаратылыстану ғылымы үшін принципті маңызы бар. Физика, химия, биология және молекулалық физиканың дамуы өмірдегі негізгі құбылыстарды зерттейтін молекулалық биология сияқты ғылымды тудырды.
Статистикалық термодинамиканың көмегімен, молекулалық спектроскопия арқылы анықталатын молекулалардың физикалық қасиеттері физикалық химияда химиялық тепе-теңдікті есептеуге қажетті заттардың термодинамикалық қасиеттерін және оның қалыптасу жылдамдығын анықтайды.
Атомдар мен молекулалардың қасиеттерінің айырмашылығы неде?
Біріншіден, атомдар бос күйде болмайды.
Молекулалардың оптикалық спектрлері бай. Бұл жүйенің төменгі симметриясына және ядролардың жаңа айналулары мен тербелістерінің пайда болу мүмкіндігіне байланысты. Молекула үшін жалпы энергия құрамдас бөліктерінің шамасы бойынша әр түрлі үш энергиядан тұрады:
- электрондық қабық (оптикалық немесе ультракүлгін сәуле);
- ядролардың тербелісі (спектрдің инфрақызыл бөлігі);
- молекуланың тұтастай айналуы (радиожиілік диапазоны).
Атомдар өзіне тән сызықтық спектрлерді, ал молекулалар бір-біріне жақын орналасқан көптеген сызықтардан тұратын жолақты спектрлерді шығарады.
Спектрлік талдау
Молекуланың оптикалық, электрлік, магниттік және басқа қасиеттері де толқындық функциялармен байланыс арқылы анықталады. Молекулалардың күйлері және олардың арасындағы ықтимал ауысу туралы деректер молекулалық спектрлерді көрсетеді.
Молекулалардағы ауысулар (электрондық) химиялық байланыстарды және олардың электрондық қабаттарының құрылымын көрсетеді. Қосылымдары көбірек спектрлерде көрінетін аймаққа түсетін ұзын толқынды жұту жолақтары болады. Егер зат осындай молекулалардан тұрса, оның өзіне тән түсі болады. Бұлардың барлығы органикалық бояғыштар.
Бір заттың молекулаларының қасиеттері агрегацияның барлық күйінде бірдей. Бұл бір заттарда сұйық, газ тәрізді заттардың молекулаларының қасиеттерінің қатты дене қасиеттерінен ерекшеленбейтінін білдіреді. Бір заттың молекуласы әрқашан бірдей құрылымға ие болады, қарамастанзаттың жиынтық күйі.
Электрлік деректер
Заттың электр өрісіндегі әрекеті молекулалардың электрлік сипаттамаларымен анықталады: поляризация және тұрақты дипольдік момент.
Дипольдік момент – молекуланың электрлік асимметриясы. H2 сияқты симметрия орталығы бар молекулалардың тұрақты дипольдік моменті болмайды. Молекуланың электронды қабығының электр өрісінің әсерінен қозғалу қабілеті, нәтижесінде онда индукцияланған дипольдік момент пайда болады, бұл поляризациялық. Поляризациялық және дипольдік моменттің мәнін табу үшін өткізгіштікті өлшеу керек.
Айнымалы электр өрісіндегі жарық толқынының әрекеті осы зат молекуласының поляризациялануымен анықталатын заттың оптикалық қасиеттерімен сипатталады. Поляризацияға тікелей қатысы бар: шашырау, сыну, оптикалық белсенділік және молекулалық оптиканың басқа құбылыстары.
Сұрақты жиі естуге болады: «Заттың қасиеттері молекулалардан басқа неге байланысты?» Жауап өте қарапайым.
Заттардың изометрия мен кристалдық құрылымнан басқа қасиеттері қоршаған ортаның температурасымен, заттың өзімен, қысыммен, қоспалардың болуымен анықталады.
Молекулалар химиясы
Кванттық механика ғылымы қалыптасқанға дейін молекулалардағы химиялық байланыстардың табиғаты ашылмаған жұмбақ болды. Классикалық физика бағыттылықты түсіндіреді жәневаленттік байланыстың қанығуы мүмкін емес. Ең қарапайым Н2 молекуласының мысалында химиялық байланыс туралы негізгі теориялық мәліметтер жасалғаннан кейін (1927 ж.) теория мен есептеу әдістері біртіндеп жетілдіре бастады. Мысалы, молекулалық орбитальдар әдісін, кванттық химияны кеңінен қолдану негізінде атом аралық қашықтықтарды, молекулалардың энергиясы мен химиялық байланыстарды, электрондардың тығыздығының таралуын және басқа да тәжірибе мәліметтерімен толық сәйкес келетін мәліметтерді есептеуге мүмкіндік туды..
Құрамы бірдей, бірақ химиялық құрылымы әртүрлі, қасиеттері әртүрлі заттарды құрылымдық изомерлер деп атайды. Олардың құрылымдық формулалары әртүрлі, бірақ молекулалық формулалары бірдей.
Құрылымдық изомерияның әртүрлі түрлері белгілі. Айырмашылықтар көміртек қаңқасының құрылымында, функционалдық топтың орнында немесе көптік байланыстың орнында. Сонымен қатар, зат молекуласының қасиеттері бірдей құраммен және химиялық құрылыммен сипатталатын кеңістіктік изомерлер әлі де бар. Сондықтан құрылымдық және молекулалық формулалар бірдей. Айырмашылықтар молекуланың кеңістіктік пішінінде жатыр. Әр түрлі кеңістік изомерлерін көрсету үшін арнайы формулалар пайдаланылады.
Гомологтар деп аталатын қосылыстар бар. Олар құрылымы мен қасиеттері бойынша ұқсас, бірақ құрамы бойынша бір немесе бірнеше СН2 топтары бойынша ерекшеленеді. Құрылымы мен қасиеттері жағынан ұқсас барлық заттар гомологтық қатарға біріктіріледі. Бір гомологтың қасиеттерін зерттей отырып, олардың кез келген басқасы туралы пікір айтуға болады. Гомологтар жинағы гомологтық қатар.
Заттың құрылымдарын түрлендіру кезіндемолекулалардың химиялық қасиеттері күрт өзгереді. Ең қарапайым қосылыстар да мысал бола алады: метан тіпті бір оттегі атомымен қосылса, метанол (метил спирті - CH3OH) деп аталатын улы сұйықтыққа айналады. Осыған сәйкес оның химиялық комплементарлылығы мен тірі организмдерге әсері де әртүрлі болады. Осыған ұқсас, бірақ күрделірек өзгерістер биомолекулалардың құрылымдарын өзгерту кезінде орын алады.
Химиялық молекулалық қасиеттер молекулалардың құрылымы мен қасиеттеріне: ондағы энергетикалық байланыстарға және молекуланың өзінің геометриясына қатты тәуелді. Бұл әсіресе биологиялық белсенді қосылыстарға қатысты. Қандай бәсекелес реакцияның басым болатыны көбінесе тек кеңістіктік факторлармен анықталады, олар өз кезегінде бастапқы молекулаларға (олардың конфигурациясы) байланысты. "Ыңғайсыз" конфигурациясы бар бір молекула мүлдем реакцияға түспейді, ал химиялық құрамы бірдей, бірақ геометриясы басқа молекула бірден әрекет етуі мүмкін.
Өсу және көбею кезінде байқалатын көптеген биологиялық процестер реакция өнімдері мен бастапқы материалдар арасындағы геометриялық байланыстармен байланысты. Сіздің ақпаратыңыз үшін: жаңа препараттардың айтарлықтай санының әрекеті адам ағзасына биологиялық тұрғыдан зиянды қосылыстардың ұқсас молекулалық құрылымына негізделген. Препарат зиянды молекуланың орнын басып, әрекет етуді қиындатады.
Химиялық формулалардың көмегімен әртүрлі заттардың молекулаларының құрамы мен қасиеттері өрнектеледі. Молекулярлық салмақ, химиялық талдау негізінде атомдық қатынас орнатылып, құрастырыладыэмпирикалық формула.
Геометрия
Молекуланың геометриялық құрылымын анықтау атом ядроларының тепе-теңдік орналасуын ескере отырып жүргізіледі. Атомдардың өзара әрекеттесу энергиясы атомдар ядроларының арасындағы қашықтыққа байланысты. Өте үлкен қашықтықта бұл энергия нөлге тең. Атомдар бір-біріне жақындаған сайын химиялық байланыс түзіле бастайды. Сонда атомдар бір-біріне қатты тартылады.
Әлсіз тартылыс болса, онда химиялық байланыстың түзілуі қажет емес. Егер атомдар жақынырақ қашықтыққа жақындай бастаса, ядролар арасында электростатикалық итеру күштері әрекет ете бастайды. Атомдардың күшті конвергенциясына олардың ішкі электрондық қабаттарының сәйкес келмеуі кедергі болып табылады.
Өлшемдері
Молекулаларды жай көзбен көру мүмкін емес. Олар соншалықты кішкентай, тіпті 1000 есе үлкейтетін микроскоп бізге оларды көруге көмектеспейді. Биологтар 0,001 мм-ге дейінгі кішкентай бактерияларды байқайды. Бірақ молекулалар жүздеген және мыңдаған есе аз.
Бүгінгі таңда белгілі бір заттың молекулаларының құрылымы дифракциялық әдістермен анықталады: нейтрондық дифракция, рентгендік дифракциялық талдау. Сондай-ақ вибрациялық спектроскопия және электронды парамагниттік әдіс бар. Әдісті таңдау заттың түріне және оның жағдайына байланысты.
Молекуланың өлшемі электронды қабықшаны ескере отырып, шартты шама болып табылады. Нүкте электрондардың атом ядроларынан қашықтығы. Олар неғұрлым үлкен болса, молекуланың электрондарын табу ықтималдығы соғұрлым аз болады. Тәжірибеде молекулалардың өлшемін тепе-теңдік қашықтықты ескере отырып анықтауға болады. Бұл молекулалық кристалда және сұйықтықта тығыз орналасқан кезде молекулалардың бір-біріне жақындай алатын аралығы.
Үлкен арақашықтықтарда тартылатын молекулалар болады, ал кішілері, керісінше, кері тебіледі. Сондықтан молекулалық кристалдардың рентгендік дифракциялық талдауы молекуланың өлшемдерін табуға көмектеседі. Газдардың диффузия коэффициентін, жылу өткізгіштігін және тұтқырлығын, сондай-ақ конденсацияланған күйдегі заттың тығыздығын пайдалана отырып, молекулалық өлшемдердің шама ретін анықтауға болады.
