Lahat ng katawan na nakapaligid sa atin ay binubuo ng mga atomo. Ang mga atomo naman ay nagtitipon sa isang molekula. Ito ay dahil sa pagkakaiba sa istraktura ng molekular na maaaring pag-usapan ng isa ang tungkol sa mga sangkap na naiiba sa bawat isa, batay sa kanilang mga katangian at mga parameter. Ang mga molekula at atom ay palaging nasa isang estado ng dinamika. Ang paglipat, hindi pa rin sila nakakalat sa iba't ibang direksyon, ngunit gaganapin sa isang tiyak na istraktura, na utang natin sa pagkakaroon ng napakaraming iba't ibang mga sangkap sa buong mundo sa paligid natin. Ano ang mga particle na ito at ano ang mga katangian ng mga ito?
Mga pangkalahatang konsepto
Kung magsisimula tayo sa teorya ng quantum mechanics, ang molekula ay hindi binubuo ng mga atomo, ngunit ang kanilang mga nuclei at electron, na patuloy na nakikipag-ugnayan sa isa't isa.
Para sa ilang substance, ang molekula ay ang pinakamaliit na particle na may komposisyon at kemikal na katangian ng substance mismo. Kaya, ang mga katangian ng mga molekula mula sa punto ng view ng kimika ay tinutukoy ng istraktura ng kemikal nito atkomposisyon. Ngunit para lamang sa mga sangkap na may istrukturang molekular, gumagana ang panuntunan: ang mga kemikal na katangian ng mga sangkap at molekula ay pareho. Para sa ilang polymer, gaya ng ethylene at polyethylene, hindi tumutugma ang komposisyon sa molecular composition.
Alam na ang mga katangian ng mga molekula ay natutukoy hindi lamang sa bilang ng mga atomo, kanilang uri, kundi pati na rin sa pagsasaayos, ang pagkakasunud-sunod ng koneksyon. Ang molekula ay isang kumplikadong istraktura ng arkitektura, kung saan ang bawat elemento ay nakatayo sa lugar nito at may mga partikular na kapitbahay nito. Ang atomic na istraktura ay maaaring higit pa o mas matibay. Ang bawat atom ay nag-vibrate tungkol sa posisyon ng equilibrium nito.
Configuration at mga parameter
Nangyayari na ang ilang bahagi ng molekula ay umiikot na may kaugnayan sa ibang mga bahagi. Kaya, sa proseso ng thermal motion, ang isang libreng molekula ay nagkakaroon ng mga kakaibang hugis (mga configuration).
Sa pangkalahatan, ang mga katangian ng mga molekula ay tinutukoy ng bono (uri nito) sa pagitan ng mga atomo at ng arkitektura ng mismong molekula (istraktura, hugis). Kaya, una sa lahat, isinasaalang-alang ng pangkalahatang teorya ng kemikal ang mga bono ng kemikal at batay sa mga katangian ng mga atom.
Na may malakas na polarity, ang mga katangian ng mga molekula ay mahirap ilarawan na may dalawa o tatlong pare-parehong ugnayan, na napakahusay para sa mga non-polar na molekula. Samakatuwid, ang isang karagdagang parameter na may isang dipole moment ay ipinakilala. Ngunit ang pamamaraang ito ay hindi palaging matagumpay, dahil ang mga polar molecule ay may mga indibidwal na katangian. Iminungkahi din ang mga parameter upang isaalang-alang ang mga quantum effect, na mahalaga sa mababang temperatura.
Ano ang alam natin tungkol sa molecule ng pinakakaraniwang substance sa Earth?
Sa lahat ng substance sa ating planeta, ang pinakakaraniwan ay tubig. Ito, sa literal na kahulugan, ay nagbibigay ng buhay para sa lahat ng bagay na umiiral sa Earth. Ang mga virus lamang ang magagawa nang wala ito, ang natitirang mga istraktura ng buhay sa kanilang komposisyon para sa karamihan ay may tubig. Anong mga katangian ng molekula ng tubig, ang katangian lamang nito, ang ginagamit sa pang-ekonomiyang buhay ng tao at wildlife ng Earth?
Kung tutuusin, ito ay talagang kakaibang substance! Walang ibang substance ang maaaring magyabang ng isang hanay ng mga katangiang likas sa tubig.
Ang tubig ang pangunahing solvent sa kalikasan. Ang lahat ng mga reaksyon na nagaganap sa mga buhay na organismo, sa isang paraan o iba pa, ay nangyayari sa kapaligiran ng tubig. Ibig sabihin, ang mga substance ay pumapasok sa mga reaksyon habang nasa isang dissolved state.
Ang tubig ay may mahusay na kapasidad ng init, ngunit mababa ang thermal conductivity. Salamat sa mga pag-aari na ito, maaari naming gamitin ito bilang isang transportasyon ng init. Ang prinsipyong ito ay kasama sa mekanismo ng paglamig ng isang malaking bilang ng mga organismo. Sa industriya ng nuclear power, ang mga katangian ng molekula ng tubig ay nagbunga sa paggamit ng sangkap na ito bilang isang coolant. Bilang karagdagan sa posibilidad na maging reactive medium para sa iba pang substance, ang tubig mismo ay maaaring pumasok sa mga reaksyon: photolysis, hydration, at iba pa.
Ang natural na purong tubig ay isang walang amoy, walang kulay at walang lasa na likido. Ngunit sa kapal ng layer na higit sa 2 metro, nagiging mala-bughaw ang kulay.
Ang buong molekula ng tubig ay isang dipole (dalawang magkasalungat na pole). Ito ay ang dipole na istraktura sapangunahing tinutukoy ang mga hindi pangkaraniwang katangian ng sangkap na ito. Ang molekula ng tubig ay isang diamagnet.
Ang tubig na metal ay may isa pang kawili-wiling pag-aari: ang molekula nito ay nakakakuha ng istraktura ng gintong ratio, at ang istraktura ng sangkap ay nakakakuha ng mga proporsyon ng gintong seksyon. Marami sa mga katangian ng molekula ng tubig ay naitatag sa pamamagitan ng pagsusuri sa pagsipsip at paglabas ng may guhit na spectra sa bahagi ng gas.
Science at molekular na katangian
Lahat ng substance, maliban sa kemikal, ay may mga pisikal na katangian ng mga molekula na bumubuo sa kanilang istraktura.
Sa pisikal na agham, ang konsepto ng mga molekula ay ginagamit upang ipaliwanag ang mga katangian ng mga solid, likido at gas. Ang kakayahan ng lahat ng mga sangkap na magkalat, ang kanilang lagkit, thermal conductivity at iba pang mga katangian ay tinutukoy ng kadaliang mapakilos ng mga molekula. Noong pinag-aaralan ng French physicist na si Jean Perrin ang Brownian motion, pinatunayan niya sa eksperimento ang pagkakaroon ng mga molekula. Ang lahat ng mga buhay na organismo ay umiiral dahil sa isang pinong balanseng panloob na interaksyon sa istraktura. Ang lahat ng kemikal at pisikal na katangian ng mga sangkap ay may pangunahing kahalagahan para sa natural na agham. Ang pag-unlad ng physics, chemistry, biology at molecular physics ay nagbunga ng isang agham gaya ng molecular biology, na nag-aaral ng mga pangunahing phenomena sa buhay.
Gamit ang statistical thermodynamics, ang mga pisikal na katangian ng mga molekula, na tinutukoy ng molecular spectroscopy, sa physical chemistry ay tinutukoy ang mga thermodynamic na katangian ng mga substance na kinakailangan upang makalkula ang chemical equilibria at ang mga rate ng pagkakatatag nito.
Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng mga katangian ng mga atom at molekula?
Una sa lahat, hindi nangyayari ang mga atomo sa libreng estado.
Ang mga molekula ay may mas mayamang optical spectra. Ito ay dahil sa mas mababang simetrya ng system at ang paglitaw ng posibilidad ng mga bagong pag-ikot at oscillations ng nuclei. Para sa isang molekula, ang kabuuang enerhiya ay binubuo ng tatlong energies na naiiba sa pagkakasunud-sunod ng magnitude ng mga bahagi:
- electronic shell (optical o ultraviolet radiation);
- vibrations ng nuclei (infrared na bahagi ng spectrum);
- pag-ikot ng molekula sa kabuuan (radio frequency range).
Naglalabas ang mga atomo ng mga katangiang line spectra, habang ang mga molekula ay naglalabas ng mga striped spectra na binubuo ng maraming linyang malapit ang pagitan.
Spectral analysis
Optical, electrical, magnetic at iba pang mga katangian ng isang molekula ay tinutukoy din ng koneksyon sa mga function ng wave. Ang data sa mga estado ng mga molekula at ang malamang na paglipat sa pagitan ng mga ito ay nagpapakita ng molecular spectra.
Ang mga transition (electronic) sa mga molekula ay nagpapakita ng mga kemikal na bono at ang istraktura ng kanilang mga electron shell. Ang spectra na may mas maraming koneksyon ay may mahabang wavelength na absorption band na nahuhulog sa nakikitang rehiyon. Kung ang isang sangkap ay itinayo mula sa gayong mga molekula, mayroon itong katangian na kulay. Lahat ito ay mga organikong tina.
Ang mga katangian ng mga molekula ng parehong substance ay pareho sa lahat ng estado ng pagsasama-sama. Nangangahulugan ito na sa parehong mga sangkap, ang mga katangian ng mga molekula ng likido, mga gas na sangkap ay hindi naiiba sa mga katangian ng solid. Ang molekula ng isang sangkap ay palaging may parehong istraktura, anuman angpinagsama-samang estado ng bagay mismo.
Data ng kuryente
Ang paraan ng pagkilos ng substance sa isang electric field ay tinutukoy ng mga katangiang elektrikal ng mga molekula: porizability at permanenteng dipole moment.
Ang
Dipole moment ay ang electrical asymmetry ng isang molekula. Ang mga molekula na may sentro ng symmetry tulad ng H2 ay walang permanenteng dipole moment. Ang kakayahan ng electron shell ng isang molekula na lumipat sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field, bilang isang resulta kung saan ang isang sapilitan na dipole moment ay nabuo dito, ay polarizability. Upang mahanap ang halaga ng polarizability at dipole moment, kinakailangang sukatin ang permittivity.
Ang pag-uugali ng isang light wave sa isang alternating electric field ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga optical na katangian ng isang substance, na natutukoy sa pamamagitan ng polarizability ng isang molecule ng substance na ito. Direktang nauugnay sa polarizability ay: scattering, repraksyon, optical activity at iba pang phenomena ng molecular optics.
Madalas marinig ng isang tao ang tanong na: “Sa ano, bukod sa mga molekula, nakasalalay ang mga katangian ng isang substance?” Ang sagot ay medyo simple.
Ang mga katangian ng mga sangkap, maliban sa isometry at istrukturang kristal, ay tinutukoy ng temperatura ng kapaligiran, ang sangkap mismo, presyon, ang pagkakaroon ng mga impurities.
Chemistry of molecules
Bago ang pagbuo ng agham ng quantum mechanics, ang likas na katangian ng mga kemikal na bono sa mga molekula ay isang hindi nalutas na misteryo. Ipinapaliwanag ng klasikal na pisika ang direksyon atsaturation ng valence bonds ay hindi maaaring. Matapos ang paglikha ng pangunahing teoretikal na impormasyon tungkol sa bono ng kemikal (1927) gamit ang halimbawa ng pinakasimpleng molekula ng H2, ang teorya at mga pamamaraan ng pagkalkula ay nagsimulang unti-unting mapabuti. Halimbawa, batay sa malawakang paggamit ng paraan ng molecular orbitals, quantum chemistry, naging posible na kalkulahin ang mga interatomic na distansya, ang enerhiya ng mga molekula at kemikal na bono, ang pamamahagi ng density ng elektron at iba pang data na ganap na kasabay ng eksperimentong data.
Ang mga sangkap na may parehong komposisyon, ngunit magkaibang istruktura ng kemikal at magkaibang katangian, ay tinatawag na mga istrukturang isomer. Magkaiba ang mga ito ng structural formula, ngunit pareho ang molecular formula.
Kilala ang iba't ibang uri ng structural isomerism. Ang mga pagkakaiba ay nasa istruktura ng carbon skeleton, ang posisyon ng functional group, o ang posisyon ng multiple bond. Bilang karagdagan, mayroon pa ring mga spatial na isomer kung saan ang mga katangian ng isang molekula ng sangkap ay nailalarawan sa pamamagitan ng parehong komposisyon at istraktura ng kemikal. Samakatuwid, ang parehong istruktura at molekular na mga formula ay pareho. Ang mga pagkakaiba ay nakasalalay sa spatial na hugis ng molekula. Ang mga espesyal na formula ay ginagamit upang kumatawan sa iba't ibang spatial isomer.
May mga tambalang tinatawag na homologues. Ang mga ito ay magkapareho sa istraktura at mga katangian, ngunit naiiba sa komposisyon ng isa o higit pang mga pangkat ng CH2. Ang lahat ng mga sangkap na katulad sa istraktura at mga katangian ay pinagsama sa homologous series. Ang pagkakaroon ng pag-aaral ng mga katangian ng isang homologue, ang isa ay maaaring mangatuwiran tungkol sa alinman sa mga ito. Ang hanay ng mga homolog ay isang homologous na serye.
Kapag binago ang mga istruktura ng bagayang mga kemikal na katangian ng mga molekula ay kapansin-pansing nagbabago. Kahit na ang pinakasimpleng compound ay nagsisilbing isang halimbawa: ang methane, kapag pinagsama sa kahit isang oxygen atom, ay nagiging isang lason na likido na tinatawag na methanol (methyl alcohol - CH3OH). Alinsunod dito, ang chemical complementarity at epekto nito sa mga buhay na organismo ay nagiging iba. Nagaganap ang mga katulad ngunit mas kumplikadong pagbabago kapag binago ang mga istruktura ng biomolecules.
Ang mga katangian ng kemikal na molekular ay lubos na nakadepende sa istruktura at mga katangian ng mga molekula: sa mga bono ng enerhiya sa loob nito at sa geometry ng molekula mismo. Ito ay totoo lalo na sa mga biologically active compound. Aling mga nakikipagkumpitensyang reaksyon ang magiging nangingibabaw ay kadalasang tinutukoy lamang ng mga spatial na kadahilanan, na depende naman sa mga paunang molekula (ang kanilang pagsasaayos). Ang isang molekula na may "hindi komportable" na configuration ay hindi magre-react, habang ang isa pang may parehong kemikal na komposisyon ngunit ibang geometry ay maaaring mag-react kaagad.
Ang isang malaking bilang ng mga biological na proseso na naobserbahan sa panahon ng paglaki at pagpaparami ay nauugnay sa mga geometric na relasyon sa pagitan ng mga produkto ng reaksyon at mga panimulang materyales. Para sa iyong impormasyon: ang pagkilos ng isang malaking bilang ng mga bagong gamot ay batay sa isang katulad na molekular na istraktura ng isang tambalan na nakakapinsala mula sa isang biological na pananaw para sa katawan ng tao. Pinapalitan ng gamot ang mapaminsalang molekula at ginagawang mahirap kumilos.
Sa tulong ng mga kemikal na formula, ang komposisyon at mga katangian ng mga molekula ng iba't ibang mga sangkap ay ipinahayag. Batay sa timbang ng molekular, pagsusuri ng kemikal, ang atomic ratio ay itinatag at pinagsama-samaempirical formula.
Geometry
Ang pagtukoy ng geometric na istraktura ng isang molekula ay ginagawa na isinasaalang-alang ang equilibrium arrangement ng atomic nuclei. Ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng mga atomo ay nakasalalay sa distansya sa pagitan ng mga nuclei ng mga atomo. Sa napakalaking distansya, ang enerhiya na ito ay zero. Habang papalapit ang mga atomo sa isa't isa, nagsisimulang mabuo ang isang kemikal na bono. Pagkatapos ang mga atomo ay malakas na naaakit sa isa't isa.
Kung may mahinang atraksyon, hindi na kailangan ang pagbuo ng isang chemical bond. Kung ang mga atomo ay nagsimulang lumapit sa mas malapit na mga distansya, ang mga electrostatic repulsive na pwersa ay nagsisimulang kumilos sa pagitan ng nuclei. Ang isang balakid sa isang malakas na convergence ng mga atom ay ang hindi pagkakatugma ng kanilang mga panloob na electron shell.
Mga Sukat
Imposibleng makita ang mga molekula gamit ang mata. Napakaliit ng mga ito na kahit isang mikroskopyo na may 1000x magnification ay hindi makakatulong sa atin na makita ang mga ito. Ang mga biologist ay nagmamasid sa bakterya na kasing liit ng 0.001 mm. Ngunit ang mga molekula ay daan-daan at libu-libong beses na mas maliit.
Ngayon, ang istraktura ng mga molekula ng isang partikular na substansiya ay tinutukoy ng mga pamamaraan ng diffraction: neutron diffraction, X-ray diffraction analysis. Mayroon ding vibrational spectroscopy at ang electron paramagnetic method. Ang pagpili ng paraan ay depende sa uri ng substance at kundisyon nito.
Ang laki ng isang molekula ay isang conditional value, na isinasaalang-alang ang electron shell. Ang punto ay ang mga distansya ng mga electron mula sa atomic nuclei. Kung mas malaki ang mga ito, mas maliit ang posibilidad na mahanap ang mga electron ng molekula. Sa pagsasagawa, ang laki ng mga molekula ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang sa distansya ng balanse. Ito ang agwat kung saan ang mga molekula mismo ay maaaring magkalapit sa isa't isa kapag siksikan sa isang molekular na kristal at sa isang likido.
Ang mga malalaking distansya ay may mga molekula na naaakit, at ang mga maliliit, sa kabaligtaran, sa pagtanggi. Samakatuwid, ang X-ray diffraction analysis ng mga molekular na kristal ay nakakatulong upang mahanap ang mga sukat ng molekula. Gamit ang coefficient ng diffusion, thermal conductivity at viscosity ng mga gas, pati na rin ang density ng isang substance sa isang condensed state, matutukoy ng isa ang pagkakasunud-sunod ng magnitude ng mga molecular size.
