Al die liggame wat ons omring, bestaan uit atome. Atome, op hul beurt, versamel in 'n molekule. Dit is as gevolg van die verskil in die molekulêre struktuur dat 'n mens kan praat oor stowwe wat van mekaar verskil, gebaseer op hul eienskappe en parameters. Molekules en atome is altyd in 'n toestand van dinamika. Beweeg, hulle verstrooi steeds nie in verskillende rigtings nie, maar word in 'n sekere struktuur gehou, wat ons te danke is aan die bestaan van so 'n groot verskeidenheid stowwe in die hele wêreld rondom ons. Wat is hierdie deeltjies en wat is hul eienskappe?
Algemene konsepte
As ons by die teorie van kwantummeganika uitgaan, dan bestaan die molekule nie uit atome nie, maar hul kerne en elektrone, wat voortdurend met mekaar in wisselwerking tree.
Vir sommige stowwe is 'n molekule die kleinste deeltjie wat die samestelling en chemiese eienskappe van die stof self het. Dus, die eienskappe van molekules uit die oogpunt van chemie word bepaal deur die chemiese struktuur ensamestelling. Maar net vir stowwe met 'n molekulêre struktuur werk die reël: die chemiese eienskappe van stowwe en molekules is dieselfde. Vir sommige polimere, soos etileen en poliëtileen, pas die samestelling nie by die molekulêre samestelling nie.
Dit is bekend dat die eienskappe van molekules nie net bepaal word deur die aantal atome, hul tipe nie, maar ook deur die konfigurasie, die volgorde van verbinding. 'n Molekule is 'n komplekse argitektoniese struktuur, waar elke element op sy plek staan en sy spesifieke bure het. Die atoomstruktuur kan min of meer styf wees. Elke atoom vibreer om sy ewewigsposisie.
Konfigurasie en parameters
Dit gebeur dat sommige dele van die molekule roteer in verhouding tot ander dele. Dus, in die proses van termiese beweging, neem 'n vrye molekule bisarre vorms (konfigurasies) aan.
Basies word die eienskappe van molekules bepaal deur die binding (sy tipe) tussen atome en die argitektuur van die molekule self (struktuur, vorm). Dus, eerstens, oorweeg die algemene chemiese teorie chemiese bindings en is gebaseer op die eienskappe van atome.
Met 'n sterk polariteit is die eienskappe van molekules moeilik om te beskryf met twee- of drie-konstante korrelasies, wat uitstekend is vir nie-polêre molekules. Daarom is 'n bykomende parameter met 'n dipoolmoment ingestel. Maar hierdie metode is nie altyd suksesvol nie, aangesien polêre molekules individuele eienskappe het. Parameters is ook voorgestel om kwantumeffekte in ag te neem, wat belangrik is by lae temperature.
Wat weet ons van die molekule van die mees algemene stof op aarde?
Van al die stowwe op ons planeet is water die algemeenste. Dit, in die letterlike sin, verskaf lewe vir alles wat op aarde bestaan. Slegs virusse kan daarsonder klaarkom, die res van die lewende strukture in hul samestelling het meestal water. Watter eienskappe van die watermolekule, slegs kenmerkend daarvan, word in die ekonomiese lewe van die mens en die natuurlewe van die Aarde gebruik?
Dit is immers 'n werklik unieke stof! Geen ander stof kan spog met 'n stel eienskappe wat inherent aan water is nie.
Water is die hoofoplosmiddel in die natuur. Alle reaksies wat op een of ander manier in lewende organismes voorkom, vind in die akwatiese omgewing plaas. Dit wil sê, stowwe tree in reaksies in terwyl hulle in 'n opgeloste toestand is.
Water het uitstekende hittekapasiteit, maar lae termiese geleidingsvermoë. Danksy hierdie eienskappe kan ons dit as hittevervoer gebruik. Hierdie beginsel is ingesluit in die verkoelingsmeganisme van 'n groot aantal organismes. In die kernkragbedryf het die eienskappe van die watermolekule aanleiding gegee tot die gebruik van hierdie stof as 'n koelmiddel. Benewens die moontlikheid om 'n reaktiewe medium vir ander stowwe te wees, kan water self in reaksies tree: fotolise, hidrasie en ander.
Natuurlike suiwer water is 'n reuklose, kleurlose en smaaklose vloeistof. Maar by 'n laagdikte groter as 2 meter, word die kleur blouerig.
Die hele watermolekule is 'n dipool (twee teenoorgestelde pole). Dit is die dipoolstruktuur inbepaal hoofsaaklik die ongewone eienskappe van hierdie stof. Die watermolekule is 'n diamagneet.
Metaalwater het nog 'n interessante eienskap: sy molekule verkry die struktuur van die goue verhouding, en die struktuur van die stof verkry die verhoudings van die goue snit. Baie van die eienskappe van die watermolekule is vasgestel deur die absorpsie en emissie van gestreepte spektra in die gasfase te ontleed.
Wetenskap en molekulêre eienskappe
Alle stowwe, behalwe chemiese, het die fisiese eienskappe van die molekules waaruit hul struktuur bestaan.
In fisiese wetenskap word die konsep van molekules gebruik om die eienskappe van vaste stowwe, vloeistowwe en gasse te verduidelik. Die vermoë van alle stowwe om te diffundeer, hul viskositeit, termiese geleidingsvermoë en ander eienskappe word bepaal deur die mobiliteit van molekules. Toe die Franse fisikus Jean Perrin Brownse beweging bestudeer het, het hy die bestaan van molekules eksperimenteel bewys. Alle lewende organismes bestaan as gevolg van 'n fyn gebalanseerde interne interaksie in die struktuur. Alle chemiese en fisiese eienskappe van stowwe is van fundamentele belang vir die natuurwetenskap. Die ontwikkeling van fisika, chemie, biologie en molekulêre fisika het aanleiding gegee tot so 'n wetenskap soos molekulêre biologie, wat die basiese verskynsels in die lewe bestudeer.
Deur gebruik te maak van statistiese termodinamika, bepaal die fisiese eienskappe van molekules, wat deur molekulêre spektroskopie bepaal word, in fisiese chemie die termodinamiese eienskappe van stowwe wat nodig is om chemiese ewewigte te bereken en die tempo van die vestiging daarvan.
Wat is die verskil tussen die eienskappe van atome en molekules?
Eerstens kom atome nie in die vrye staat voor nie.
Molekules het ryker optiese spektra. Dit is as gevolg van die laer simmetrie van die stelsel en die opkoms van die moontlikheid van nuwe rotasies en ossillasies van die kerne. Vir 'n molekule bestaan die totale energie uit drie energieë wat verskil in volgorde van grootte van die komponente:
- elektroniese dop (optiese of ultravioletstraling);
- vibrasies van kerne (infrarooi deel van die spektrum);
- rotasie van die molekule as 'n geheel (radiofrekwensiereeks).
Atome straal kenmerkende lynspektra uit, terwyl molekules gestreepte spektra uitstraal wat bestaan uit baie nou gespasieerde lyne.
Spektralanalise
Optiese, elektriese, magnetiese en ander eienskappe van 'n molekule word ook bepaal deur die verband met die golffunksies. Data oor die toestande van molekules en die waarskynlike oorgang tussen hulle toon molekulêre spektra.
Oorgange (elektronies) in molekules toon chemiese bindings en die struktuur van hul elektronskulpe. Spektra met meer verbindings het langgolflengte-absorpsiebande wat in die sigbare gebied val. As 'n stof uit sulke molekules gebou word, het dit 'n kenmerkende kleur. Dit is alles organiese kleurstowwe.
Eienskappe van molekules van dieselfde stof is dieselfde in alle toestande van aggregasie. Dit beteken dat in dieselfde stowwe die eienskappe van die molekules van vloeibare, gasvormige stowwe nie verskil van die eienskappe van die vaste stof nie. Die molekule van een stof het altyd dieselfde struktuur, ongeagtotale toestand van materie self.
Elektriese data
Die manier waarop 'n stof in 'n elektriese veld optree, word bepaal deur die elektriese eienskappe van die molekules: polariseerbaarheid en permanente dipoolmoment.
Dipoolmoment is die elektriese asimmetrie van 'n molekule. Molekules wat 'n middelpunt van simmetrie soos H2 het, het nie 'n permanente dipoolmoment nie. Die vermoë van die elektrondop van 'n molekule om onder die invloed van 'n elektriese veld te beweeg, as gevolg waarvan 'n geïnduseerde dipoolmoment daarin gevorm word, is polariseerbaarheid. Om die waarde van polariseerbaarheid en dipoolmoment te vind, is dit nodig om die permittiwiteit te meet.
Die gedrag van 'n liggolf in 'n afwisselende elektriese veld word gekenmerk deur die optiese eienskappe van 'n stof, wat bepaal word deur die polariseerbaarheid van 'n molekule van hierdie stof. Direk verwant aan polariseerbaarheid is: verstrooiing, breking, optiese aktiwiteit en ander verskynsels van molekulêre optika.
'n Mens kan dikwels die vraag hoor: "Waarvan, behalwe molekules, hang die eienskappe van 'n stof af?" Die antwoord is redelik eenvoudig.
Eienskappe van stowwe, behalwe vir isometrie en kristalstruktuur, word bepaal deur die temperatuur van die omgewing, die stof self, druk, die teenwoordigheid van onsuiwerhede.
Chemie van molekules
Voor die vorming van die wetenskap van kwantummeganika, was die aard van chemiese bindings in molekules 'n onopgeloste raaisel. Klassieke fisika verduidelik rigting enversadiging van valensiebindings kon nie. Na die skepping van basiese teoretiese inligting oor die chemiese binding (1927) deur die voorbeeld van die eenvoudigste H2-molekule te gebruik, het die teorie en berekeningsmetodes geleidelik begin verbeter. Byvoorbeeld, op grond van die wydverspreide gebruik van die metode van molekulêre orbitale, kwantumchemie, het dit moontlik geword om interatomiese afstande, die energie van molekules en chemiese bindings, die verspreiding van elektrondigtheid en ander data wat heeltemal saamgeval het met eksperimentele data te bereken.
Stowwe met dieselfde samestelling, maar verskillende chemiese struktuur en verskillende eienskappe, word strukturele isomere genoem. Hulle het verskillende struktuurformules, maar dieselfde molekulêre formules.
Verskillende tipes strukturele isomerie is bekend. Die verskille lê in die struktuur van die koolstofskelet, die posisie van die funksionele groep, of die posisie van die meervoudige binding. Daarbenewens is daar nog ruimtelike isomere waarin die eienskappe van 'n stofmolekule deur dieselfde samestelling en chemiese struktuur gekenmerk word. Daarom is beide struktuur- en molekulêre formules dieselfde. Die verskille lê in die ruimtelike vorm van die molekule. Spesiale formules word gebruik om verskillende ruimtelike isomere voor te stel.
Daar is verbindings wat homoloë genoem word. Hulle is soortgelyk in struktuur en eienskappe, maar verskil in samestelling deur een of meer CH2-groepe. Alle stowwe soortgelyk in struktuur en eienskappe word in homoloë reekse gekombineer. Nadat u die eienskappe van een homoloog bestudeer het, kan u oor enige ander redeneer. Die stel homoloë is 'n homoloë reeks.
Wanneer die strukture van materie getransformeer worddie chemiese eienskappe van molekules verander dramaties. Selfs die eenvoudigste verbindings dien as 'n voorbeeld: metaan, wanneer dit met selfs een suurstofatoom gekombineer word, word 'n giftige vloeistof genaamd metanol (metielalkohol - CH3OH). Gevolglik word die chemiese komplementariteit en effek daarvan op lewende organismes anders. Soortgelyke maar meer komplekse veranderinge vind plaas wanneer die strukture van biomolekules gewysig word.
Chemiese molekulêre eienskappe hang sterk af van die struktuur en eienskappe van molekules: van die energiebindings daarin en die geometrie van die molekule self. Dit is veral waar in biologies aktiewe verbindings. Watter mededingende reaksie oorheersend sal wees, word dikwels slegs deur ruimtelike faktore bepaal, wat weer afhang van die aanvanklike molekules (hul konfigurasie). Een molekule met 'n "ongemaklike" konfigurasie sal glad nie reageer nie, terwyl 'n ander met dieselfde chemiese samestelling maar 'n ander geometrie onmiddellik kan reageer.
'n Groot aantal biologiese prosesse wat tydens groei en voortplanting waargeneem word, word geassosieer met die geometriese verwantskappe tussen die reaksieprodukte en die beginmateriale. Vir u inligting: die werking van 'n aansienlike aantal nuwe middels is gebaseer op 'n soortgelyke molekulêre struktuur van 'n verbinding wat uit 'n biologiese oogpunt skadelik is vir die menslike liggaam. Die dwelm neem die plek van die skadelike molekule in en maak dit moeilik om op te tree.
Met behulp van chemiese formules word die samestelling en eienskappe van die molekules van verskillende stowwe uitgedruk. Op grond van die molekulêre gewig, chemiese analise, word die atoomverhouding vasgestel en saamgestelempiriese formule.
Meetkunde
Bepaling van die geometriese struktuur van 'n molekule word gemaak met inagneming van die ewewigrangskikking van atoomkerne. Die energie van interaksie van atome hang af van die afstand tussen die kerne van atome. Op baie groot afstande is hierdie energie nul. Soos die atome mekaar nader, begin 'n chemiese binding vorm. Dan word die atome sterk na mekaar aangetrek.
As daar 'n swak aantrekkingskrag is, dan is die vorming van 'n chemiese binding nie nodig nie. As die atome op nader afstand begin nader, begin elektrostatiese afstootkragte tussen die kerne inwerk. 'n Hindernis vir 'n sterk konvergensie van atome is die onversoenbaarheid van hul interne elektronskulp.
Grootte
Dit is onmoontlik om molekules met die blote oog te sien. Hulle is so klein dat selfs 'n mikroskoop met 1000x vergroting ons nie sal help om hulle te sien nie. Bioloë neem bakterieë so klein as 0,001 mm waar. Maar molekules is honderde en duisende kere kleiner.
Vandag word die struktuur van molekules van 'n sekere stof deur diffraksiemetodes bepaal: neutrondiffraksie, X-straaldiffraksie-analise. Daar is ook vibrasiespektroskopie en die elektron paramagnetiese metode. Die keuse van metode hang af van die tipe stof en die toestand daarvan.
Die grootte van 'n molekule is 'n voorwaardelike waarde, met inagneming van die elektronskil. Die punt is die afstande van elektrone vanaf atoomkerne. Hoe groter hulle is, hoe minder waarskynlik is dit om die elektrone van die molekule te vind. In die praktyk kan die grootte van die molekules bepaal word deur die ewewigsafstand in ag te neem. Dit is die interval waarvoor die molekules self mekaar kan nader wanneer dit dig in 'n molekulêre kristal en in 'n vloeistof gepak word.
Groot afstande het molekules om aan te trek, en kleins, inteendeel, tot afstoting. Daarom help X-straaldiffraksie-analise van molekulêre kristalle om die afmetings van die molekule te vind. Deur gebruik te maak van die diffusiekoëffisiënt, termiese geleidingsvermoë en viskositeit van gasse, asook die digtheid van 'n stof in 'n gekondenseerde toestand, kan 'n mens die grootteorde van molekulêre groottes bepaal.
