Visi ķermeņi, kas mūs ieskauj, sastāv no atomiem. Savukārt atomi saliek molekulā. Molekulārās struktūras atšķirības dēļ var runāt par vielām, kas atšķiras viena no otras, pamatojoties uz to īpašībām un parametriem. Molekulas un atomi vienmēr atrodas dinamikas stāvoklī. Kustoties, tie joprojām neizkliedējas dažādos virzienos, bet tiek turēti noteiktā struktūrā, par ko mēs esam parādā tik milzīgu vielu daudzveidību visā pasaulē. Kas ir šīs daļiņas un kādas ir to īpašības?
Vispārīgi jēdzieni
Ja sākam no kvantu mehānikas teorijas, tad molekula nesastāv no atomiem, bet gan to kodoliem un elektroniem, kas nemitīgi mijiedarbojas savā starpā.
Dažām vielām molekula ir mazākā daļiņa, kurai ir pašas vielas sastāvs un ķīmiskās īpašības. Tātad molekulu īpašības no ķīmijas viedokļa nosaka to ķīmiskā struktūra unsastāvu. Bet tikai vielām ar molekulāro struktūru darbojas noteikums: vielu un molekulu ķīmiskās īpašības ir vienādas. Dažiem polimēriem, piemēram, etilēnam un polietilēnam, sastāvs neatbilst molekulārajam sastāvam.
Ir zināms, ka molekulu īpašības nosaka ne tikai atomu skaits, to veids, bet arī konfigurācija, savienojuma kārtība. Molekula ir sarežģīta arhitektūras struktūra, kurā katrs elements atrodas savā vietā un tam ir konkrēti kaimiņi. Atomu struktūra var būt vairāk vai mazāk stingra. Katrs atoms vibrē ap savu līdzsvara stāvokli.
Konfigurācija un parametri
Gadās, ka dažas molekulas daļas griežas attiecībā pret citām daļām. Tātad termiskās kustības procesā brīva molekula iegūst dīvainas formas (konfigurācijas).
Būtībā molekulu īpašības nosaka saite (tās veids) starp atomiem un pašas molekulas arhitektūra (struktūra, forma). Tātad, pirmkārt, vispārējā ķīmiskā teorija aplūko ķīmiskās saites un balstās uz atomu īpašībām.
Ar spēcīgu polaritāti molekulu īpašības ir grūti aprakstīt ar divu vai trīs konstantu korelācijām, kas ir lieliski piemērotas nepolārajām molekulām. Tāpēc tika ieviests papildu parametrs ar dipola momentu. Bet šī metode ne vienmēr ir veiksmīga, jo polārajām molekulām ir individuālas īpašības. Ir ierosināti arī parametri, lai ņemtu vērā kvantu efektus, kas ir svarīgi zemā temperatūrā.
Ko mēs zinām par visizplatītākās vielas molekulu uz Zemes?
No visām vielām uz mūsu planētas visizplatītākā ir ūdens. Tā tiešā nozīmē nodrošina dzīvību visam, kas pastāv uz Zemes. Bez tā var iztikt tikai vīrusi, pārējām dzīvajām struktūrām to sastāvā lielākoties ir ūdens. Kādas ūdens molekulas īpašības, kas raksturīgas tikai tai, tiek izmantotas cilvēka un Zemes savvaļas dzīvē?
Galu galā šī ir patiesi unikāla viela! Neviena cita viela nevar lepoties ar ūdenim raksturīgu īpašību kopumu.
Ūdens ir galvenais šķīdinātājs dabā. Visas dzīvajos organismos notiekošās reakcijas vienā vai otrā veidā notiek ūdens vidē. Tas nozīmē, ka vielas nonāk reakcijās, atrodoties izšķīdinātā stāvoklī.
Ūdenim ir lieliska siltumietilpība, bet zema siltumvadītspēja. Pateicoties šīm īpašībām, mēs to varam izmantot kā siltuma transportu. Šis princips ir iekļauts liela skaita organismu dzesēšanas mehānismā. Kodolenerģijas nozarē ūdens molekulas īpašības izraisīja šīs vielas izmantošanu kā dzesēšanas šķidrumu. Papildus tam, ka ūdens var būt reaktīvs vide citām vielām, ūdens pats var iesaistīties reakcijās: fotolīzē, hidratācijā un citās.
Dabisks tīrs ūdens ir šķidrums bez smaržas, bezkrāsas un bez garšas. Bet ja slāņa biezums ir lielāks par 2 metriem, krāsa kļūst zilgana.
Visa ūdens molekula ir dipols (divi pretēji poli). Tā ir dipola struktūra iekšāgalvenokārt nosaka šīs vielas neparastās īpašības. Ūdens molekula ir diamagnēts.
Metāla ūdenim ir vēl viena interesanta īpašība: tā molekula iegūst zelta griezuma struktūru, bet vielas struktūra iegūst zelta griezuma proporcijas. Daudzas ūdens molekulas īpašības ir noteiktas, analizējot svītraino spektru absorbciju un emisiju gāzes fāzē.
Zinātne un molekulārās īpašības
Visām vielām, izņemot ķīmiskās, ir to struktūru veidojošo molekulu fizikālās īpašības.
Fizikālajā zinātnē molekulu jēdzienu izmanto, lai izskaidrotu cietvielu, šķidrumu un gāzu īpašības. Visu vielu spēju izkliedēties, to viskozitāti, siltumvadītspēju un citas īpašības nosaka molekulu kustīgums. Kad franču fiziķis Žans Perins pētīja Brauna kustību, viņš eksperimentāli pierādīja molekulu esamību. Visi dzīvie organismi pastāv smalki līdzsvarotas iekšējās mijiedarbības dēļ struktūrā. Visām vielu ķīmiskajām un fizikālajām īpašībām dabaszinātnēs ir būtiska nozīme. Fizikas, ķīmijas, bioloģijas un molekulārās fizikas attīstība radīja tādu zinātni kā molekulārā bioloģija, kas pēta galvenās dzīves parādības.
Izmantojot statistisko termodinamiku, molekulu fizikālās īpašības, kuras nosaka ar molekulāro spektroskopiju, fizikālajā ķīmijā nosaka vielu termodinamiskās īpašības, kas nepieciešamas ķīmisko līdzsvaru aprēķināšanai un tā izveidošanās ātrumus.
Kāda ir atšķirība starp atomu un molekulu īpašībām?
Pirmkārt, atomi nenotiek brīvā stāvoklī.
Molekulām ir bagātāks optiskais spektrs. Tas ir saistīts ar sistēmas zemāku simetriju un jaunu kodolu rotāciju un svārstību iespējamību. Molekulai kopējā enerģija sastāv no trim enerģijām, kas atšķiras pēc komponentu lieluma:
- elektroniskais apvalks (optiskais vai ultravioletais starojums);
- kodolu vibrācijas (infrasarkanā spektra daļa);
- molekulas pagriešana kopumā (radiofrekvenču diapazons).
Atomi izstaro raksturīgus līniju spektrus, savukārt molekulas izstaro svītrainus spektrus, kas sastāv no daudzām cieši izvietotām līnijām.
Spektrālā analīze
Molekulas optiskās, elektriskās, magnētiskās un citas īpašības nosaka arī saikne ar viļņu funkcijām. Dati par molekulu stāvokļiem un iespējamo pāreju starp tiem parāda molekulāros spektrus.
Pārejas (elektroniskas) molekulās parāda ķīmiskās saites un to elektronu apvalku struktūru. Spektriem ar vairāk savienojumu ir gara viļņa garuma absorbcijas joslas, kas ietilpst redzamajā reģionā. Ja viela ir veidota no šādām molekulām, tai ir raksturīga krāsa. Tās visas ir organiskas krāsvielas.
Vienas vielas molekulu īpašības ir vienādas visos agregācijas stāvokļos. Tas nozīmē, ka tajās pašās vielās šķidro, gāzveida vielu molekulu īpašības neatšķiras no cietas vielas īpašībām. Vienas vielas molekulai vienmēr ir vienāda struktūra neatkarīgi nopašas vielas kopējais stāvoklis.
Elektriskie dati
Viela uzvedas elektriskajā laukā nosaka molekulu elektriskās īpašības: polarizējamība un pastāvīgais dipola moments.
Dipola moments ir molekulas elektriskā asimetrija. Molekulām, kurām ir simetrijas centrs, piemēram, H2, nav pastāvīga dipola momenta. Molekulas elektronu apvalka spēja kustēties elektriskā lauka ietekmē, kā rezultātā tajā veidojas inducētais dipola moments, ir polarizējamība. Lai atrastu polarizējamības un dipola momenta vērtību, nepieciešams izmērīt caurlaidību.
Gaismas viļņa uzvedību mainīgā elektriskajā laukā raksturo vielas optiskās īpašības, kuras nosaka šīs vielas molekulas polarizējamība. Ar polarizējamību ir tieši saistītas: izkliede, refrakcija, optiskā aktivitāte un citas molekulārās optikas parādības.
Bieži var dzirdēt jautājumu: "No kā, izņemot molekulas, ir atkarīgas vielas īpašības?" Atbilde ir pavisam vienkārša.
Vielu īpašības, izņemot izometriju un kristālisko struktūru, nosaka apkārtējās vides temperatūra, pati viela, spiediens, piemaisījumu klātbūtne.
Molekulu ķīmija
Pirms kvantu mehānikas zinātnes veidošanās molekulu ķīmisko saišu raksturs bija neatrisināts noslēpums. Klasiskā fizika skaidro virzienu unvalences saišu piesātinājumu nevarēja. Pēc teorētiskās pamatinformācijas izveides par ķīmisko saiti (1927), izmantojot vienkāršākās H2 molekulas piemēru, teoriju un aprēķinu metodes sāka pakāpeniski pilnveidot. Piemēram, pamatojoties uz plaši izplatīto molekulāro orbitāļu metodes izmantošanu, kvantu ķīmiju, radās iespēja aprēķināt starpatomu attālumus, molekulu un ķīmisko saišu enerģiju, elektronu blīvuma sadalījumu un citus datus, kas pilnībā sakrita ar eksperimentālajiem datiem.
Vielas ar vienādu sastāvu, bet atšķirīgu ķīmisko struktūru un atšķirīgām īpašībām sauc par strukturālajiem izomēriem. Tiem ir dažādas strukturālās formulas, bet vienādas molekulārās formulas.
Ir zināmi dažādi strukturālās izomērijas veidi. Atšķirības slēpjas oglekļa skeleta struktūrā, funkcionālās grupas pozīcijā vai daudzkārtējās saites pozīcijā. Turklāt joprojām pastāv telpiskie izomēri, kuros vielas molekulas īpašības raksturo vienāds sastāvs un ķīmiskā struktūra. Tāpēc gan strukturālās, gan molekulārās formulas ir vienādas. Atšķirības slēpjas molekulas telpiskajā formā. Lai attēlotu dažādus telpiskos izomērus, tiek izmantotas īpašas formulas.
Ir savienojumi, kurus sauc par homologiem. Tiem ir līdzīga struktūra un īpašības, bet sastāvs atšķiras ar vienu vai vairākām CH2 grupām. Visas vielas, kas pēc struktūras un īpašībām ir līdzīgas, ir apvienotas homologās sērijās. Izpētot viena homologa īpašības, var spriest par jebkuru citu no tiem. Homologu kopa ir homologa sērija.
Pārveidojot matērijas struktūrasmolekulu ķīmiskās īpašības krasi mainās. Pat visvienkāršākie savienojumi kalpo kā piemērs: metāns, savienojoties kaut vai ar vienu skābekļa atomu, kļūst par indīgu šķidrumu, ko sauc par metanolu (metilspirtu - CH3OH). Attiecīgi tā ķīmiskā komplementaritāte un ietekme uz dzīviem organismiem kļūst atšķirīga. Līdzīgas, bet sarežģītākas izmaiņas notiek, mainot biomolekulu struktūras.
Ķīmiskās molekulārās īpašības ir ļoti atkarīgas no molekulu struktūras un īpašībām: no tajās esošajām enerģijas saitēm un pašas molekulas ģeometrijas. Tas jo īpaši attiecas uz bioloģiski aktīvajiem savienojumiem. Kura konkurējošā reakcija būs dominējošā, bieži vien nosaka tikai telpiskie faktori, kas savukārt ir atkarīgi no sākotnējām molekulām (to konfigurācijas). Viena molekula ar "neērtu" konfigurāciju vispār nereaģēs, savukārt cita molekula ar tādu pašu ķīmisko sastāvu, bet atšķirīgu ģeometriju var reaģēt uzreiz.
Liels skaits bioloģisko procesu, kas novēroti augšanas un vairošanās laikā, ir saistīti ar ģeometriskām attiecībām starp reakcijas produktiem un izejmateriāliem. Jūsu zināšanai: ievērojama skaita jaunu zāļu iedarbība balstās uz līdzīgu savienojuma molekulāro struktūru, kas no bioloģiskā viedokļa ir kaitīga cilvēka ķermenim. Zāles ieņem kaitīgās molekulas vietu un apgrūtina darbību.
Ar ķīmisko formulu palīdzību tiek izteikts dažādu vielu molekulu sastāvs un īpašības. Pamatojoties uz molekulmasu, ķīmisko analīzi, tiek noteikta un apkopota atomu attiecībaempīriskā formula.
Ģeometrija
Molekulas ģeometriskās struktūras noteikšana tiek veikta, ņemot vērā atomu kodolu līdzsvara izvietojumu. Atomu mijiedarbības enerģija ir atkarīga no attāluma starp atomu kodoliem. Ļoti lielos attālumos šī enerģija ir nulle. Kad atomi tuvojas viens otram, sāk veidoties ķīmiskā saite. Tad atomi tiek spēcīgi piesaistīti viens otram.
Ja ir vāja pievilcība, tad ķīmiskās saites veidošana nav nepieciešama. Ja atomi sāk tuvoties tuvākos attālumos, starp kodoliem sāk darboties elektrostatiskie atgrūšanas spēki. Šķērslis spēcīgai atomu konverģencei ir to iekšējo elektronu apvalku nesaderība.
Izmēri
Molekulas nav iespējams redzēt ar neapbruņotu aci. Tie ir tik mazi, ka pat mikroskops ar 1000x palielinājumu mums nepalīdzēs tos ieraudzīt. Biologi novēro baktērijas, kuru izmērs ir 0,001 mm. Taču molekulas ir simtiem un tūkstošiem reižu mazākas.
Mūsdienās noteiktas vielas molekulu struktūru nosaka ar difrakcijas metodēm: neitronu difrakciju, rentgenstaru difrakcijas analīzi. Ir arī vibrāciju spektroskopija un elektronu paramagnētiskā metode. Metodes izvēle ir atkarīga no vielas veida un tās stāvokļa.
Molekulas izmērs ir nosacīta vērtība, ņemot vērā elektronu apvalku. Punkts ir elektronu attālumi no atomu kodoliem. Jo lielāki tie ir, jo mazāka iespēja atrast molekulas elektronus. Praksē molekulu izmērus var noteikt, ņemot vērā līdzsvara attālumu. Šis ir intervāls, kurā pašas molekulas var tuvoties viena otrai, ja tās ir blīvi iepakotas molekulārā kristālā un šķidrumā.
Lielos attālumos ir molekulas, kuras pievilkt, un mazos, gluži pretēji, atgrūž. Tāpēc molekulāro kristālu rentgenstaru difrakcijas analīze palīdz atrast molekulas izmērus. Izmantojot gāzu difūzijas, siltumvadītspējas un viskozitātes koeficientu, kā arī vielas blīvumu kondensētā stāvoklī, var noteikt molekulu izmēru kārtu.
