Kõik meid ümbritsevad kehad koosnevad aatomitest. Aatomid koonduvad omakorda molekuliks. Just tänu molekulaarstruktuuri erinevusele saab rääkida omadustest ja parameetritest lähtuvatest ainetest, mis on üksteisest erinevad. Molekulid ja aatomid on alati dünaamikas. Liikudes nad siiski ei haju erinevatesse suundadesse, vaid neid hoitakse kindlas struktuuris, mille võlgneme nii suure hulga ainete olemasolule kogu meid ümbritsevas maailmas. Mis need osakesed on ja millised on nende omadused?
Üldmõisted
Kui lähtume kvantmehaanika teooriast, siis molekul ei koosne aatomitest, vaid nende tuumadest ja elektronidest, mis omavahel pidev alt suhtlevad.
Mõnede ainete puhul on molekul väikseim osake, millel on aine enda koostis ja keemilised omadused. Niisiis määravad molekulide omadused keemia seisukoh alt nende keemiline struktuur jakoostis. Kuid ainult molekulaarse struktuuriga ainete puhul kehtib reegel: ainete ja molekulide keemilised omadused on samad. Mõnede polümeeride, nagu etüleen ja polüetüleen, koostis ei ühti molekulaarse koostisega.
On teada, et molekulide omadusi ei määra mitte ainult aatomite arv, nende tüüp, vaid ka konfiguratsioon, ühendamise järjekord. Molekul on keeruline arhitektuurne struktuur, kus iga element seisab omal kohal ja millel on oma kindlad naabrid. Aatomi struktuur võib olla enam-vähem jäik. Iga aatom vibreerib oma tasakaaluasendi ümber.
Konfiguratsioon ja parameetrid
Juhtub, et mõned molekuli osad pöörlevad teiste osade suhtes. Seega võtab vaba molekul termilise liikumise käigus veidra kuju (konfiguratsiooni).
Põhimõtteliselt määravad molekulide omadused aatomitevahelise sideme (selle tüübi) ja molekuli enda arhitektuuri (struktuur, kuju) järgi. Seega, esiteks, üldine keemiateooria käsitleb keemilisi sidemeid ja põhineb aatomite omadustel.
Tugeva polaarsusega on molekulide omadusi raske kirjeldada kahe- või kolmekonstantsete korrelatsioonidega, mis sobivad suurepäraselt mittepolaarsete molekulide jaoks. Seetõttu võeti kasutusele täiendav parameeter dipoolmomendiga. Kuid see meetod ei ole alati edukas, kuna polaarsetel molekulidel on individuaalsed omadused. Samuti on pakutud välja parameetrid kvantefektide arvestamiseks, mis on madalatel temperatuuridel olulised.
Mida me teame Maa kõige levinuma aine molekuli kohta?
Kõikidest meie planeedil leiduvatest ainetest on kõige levinum vesi. See annab otseses mõttes elu kõigele, mis Maal eksisteerib. Ilma selleta saavad hakkama ainult viirused, ülejäänud nende koostises olevad elusstruktuurid sisaldavad enamasti vett. Milliseid ainult talle iseloomulikke veemolekuli omadusi kasutatakse inimese majanduselus ja Maa eluslooduses?
Lõppude lõpuks on see tõeliselt ainulaadne aine! Ükski teine aine ei saa kiidelda veele omaste omaduste kogumiga.
Vesi on looduses peamine lahusti. Kõik elusorganismides esinevad reaktsioonid toimuvad ühel või teisel viisil veekeskkonnas. See tähendab, et ained reageerivad lahustunud olekus.
Veel on suurepärane soojusmahtuvus, kuid madal soojusjuhtivus. Tänu nendele omadustele saame seda kasutada soojustranspordina. See põhimõte sisaldub paljude organismide jahutusmehhanismis. Tuumaenergiatööstuses tingisid veemolekuli omadused selle aine kasutamise jahutusvedelikuna. Lisaks sellele, et vesi võib olla reaktsioonivõimeline keskkond teistele ainetele, võib vesi ise osaleda reaktsioonides: fotolüüsis, hüdratatsioonis ja muus.
Looduslik puhas vesi on lõhnatu, värvitu ja maitsetu vedelik. Kuid kui kihi paksus on üle 2 meetri, muutub värv sinakaks.
Kogu veemolekul on dipool (kaks vastandpoolust). See on dipoolstruktuurmäärab peamiselt selle aine ebatavalised omadused. Vee molekul on diamagnet.
Metallveel on veel üks huvitav omadus: selle molekul omandab kuldlõike struktuuri ja aine struktuur omandab kuldlõike proportsioonid. Paljud veemolekuli omadused on kindlaks tehtud, analüüsides gaasifaasis triibuliste spektrite neeldumist ja emissiooni.
Teadus ja molekulaarsed omadused
Kõigil ainetel, välja arvatud keemilistel, on nende struktuuri moodustavate molekulide füüsikalised omadused.
Füüsikateaduses kasutatakse tahkete ainete, vedelike ja gaaside omaduste selgitamiseks mõistet molekulid. Kõigi ainete võime difundeeruda, nende viskoossus, soojusjuhtivus ja muud omadused määratakse molekulide liikuvuse järgi. Kui prantsuse füüsik Jean Perrin uuris Browni liikumist, tõestas ta eksperimentaalselt molekulide olemasolu. Kõik elusorganismid eksisteerivad tänu peenelt tasakaalustatud sisemisele vastasmõjule struktuuris. Kõik ainete keemilised ja füüsikalised omadused on loodusteaduste jaoks üliolulised. Füüsika, keemia, bioloogia ja molekulaarfüüsika areng andis aluse sellisele teadusele nagu molekulaarbioloogia, mis uurib elu põhinähtusi.
Statistilist termodünaamikat kasutades määravad molekulide füüsikalised omadused, mis määratakse molekulaarspektroskoopia abil, füüsikalises keemias ainete termodünaamilised omadused, mis on vajalikud keemilise tasakaalu ja selle tekkimise kiiruste arvutamiseks.
Mis vahe on aatomite ja molekulide omaduste vahel?
Esiteks, aatomid ei esine vabas olekus.
Molekulidel on rikkalikumad optilised spektrid. See on tingitud süsteemi madalamast sümmeetriast ja tuumade uute pöörlemiste ja võnkumiste võimaluse tekkimisest. Molekuli puhul koosneb koguenergia kolmest energiast, mis on komponentide suurusjärgu poolest erinevad:
- elektrooniline kest (optiline või ultraviolettkiirgus);
- tuumade vibratsioonid (spektri infrapunaosa);
- molekuli kui terviku pöörlemine (raadiosagedusvahemik).
Aatomid kiirgavad iseloomulikke joonspektreid, samas kui molekulid kiirgavad triibulisi spektreid, mis koosnevad paljudest tihed alt asetsevatest joontest.
Spektraalanalüüs
Molekuli optilised, elektrilised, magnetilised ja muud omadused määratakse ka seose kaudu lainefunktsioonidega. Andmed molekulide olekute ja nendevahelise tõenäolise ülemineku kohta näitavad molekulaarspektreid.
Üleminekud (elektroonilised) molekulides näitavad keemilisi sidemeid ja nende elektronkestade struktuuri. Rohkemate ühendustega spektritel on pika lainepikkusega neeldumisribad, mis langevad nähtavale alale. Kui aine on ehitatud sellistest molekulidest, on sellel iseloomulik värv. Need on kõik orgaanilised värvained.
Sama aine molekulide omadused on kõigis agregatsiooni olekutes ühesugused. See tähendab, et samades ainetes ei erine vedelate, gaasiliste ainete molekulide omadused tahke aine omadustest. Ühe aine molekulil on alati sama struktuur, sõltumata sellestaine enda agregeeritud olek.
Elektriandmed
Aine käitumise elektriväljas määravad molekulide elektrilised omadused: polariseeritavus ja püsidipoolmoment.
Dipoolmoment on molekuli elektriline asümmeetria. Molekulidel, mille sümmeetriakese on nagu H2, ei ole püsivat dipoolmomenti. Molekuli elektronkihi võime liikuda elektrivälja mõjul, mille tulemusena tekib selles indutseeritud dipoolmoment, on polariseeritavus. Polariseeritavuse ja dipoolmomendi väärtuse leidmiseks on vaja läbilaskvust mõõta.
Valguslaine käitumist vahelduvas elektriväljas iseloomustavad aine optilised omadused, mille määrab selle aine molekuli polariseeritavus. Polariseeritavusega on otseselt seotud: hajumine, murdumine, optiline aktiivsus ja muud molekulaaroptika nähtused.
Tihti võib kuulda küsimust: "Millest peale molekulide sõltuvad aine omadused?" Vastus on üsna lihtne.
Ainete omadused, välja arvatud isomeetria ja kristallstruktuur, määratakse keskkonna temperatuuri, aine enda, rõhu, lisandite olemasolu järgi.
Molekulide keemia
Enne kvantmehaanika teaduse kujunemist oli keemiliste sidemete olemus molekulides lahendamata mõistatus. Klassikaline füüsika selgitab suunalisust javalentssidemete küllastumine ei olnud võimalik. Pärast keemilise sideme teoreetilise põhiteabe loomist (1927) kõige lihtsama H2 molekuli näitel hakati teooriat ja arvutusmeetodeid järk-järgult täiustama. Näiteks sai molekulaarorbitaalide meetodi, kvantkeemia laialdase kasutamise põhjal võimalikuks arvutada aatomitevahelisi kaugusi, molekulide ja keemiliste sidemete energiat, elektrontiheduse jaotust ja muid andmeid, mis kattusid täielikult katseandmetega.
Sama koostisega, kuid erineva keemilise struktuuri ja erinevate omadustega aineid nimetatakse struktuuriisomeerideks. Neil on erinevad struktuurivalemid, kuid samad molekulaarvalemid.
Struktuurset isomeeriat on teada erinevat tüüpi. Erinevused seisnevad süsinikskeleti struktuuris, funktsionaalse rühma asukohas või mitmiksideme asendis. Lisaks on veel ruumilisi isomeere, milles aine molekuli omadusi iseloomustab sama koostis ja keemiline struktuur. Seetõttu on nii struktuuri- kui ka molekulaarvalemid samad. Erinevused seisnevad molekuli ruumilises kujus. Erinevate ruumiliste isomeeride tähistamiseks kasutatakse spetsiaalseid valemeid.
On ühendeid, mida nimetatakse homoloogideks. Need on struktuurilt ja omadustelt sarnased, kuid erinevad koostiselt ühe või mitme CH2 rühma poolest. Kõik struktuurilt ja omadustelt sarnased ained on ühendatud homoloogseteks seeriateks. Olles uurinud ühe homoloogi omadusi, võib arutleda kõigi teiste nende üle. Homoloogide kogum on homoloogne seeria.
Aine struktuuride teisendamiselmolekulide keemilised omadused muutuvad dramaatiliselt. Isegi kõige lihtsamad ühendid on eeskujuks: metaan muutub kasvõi ühe hapnikuaatomiga kombineerituna mürgiseks vedelikuks, mida nimetatakse metanooliks (metüülalkohol - CH3OH). Sellest lähtuv alt muutub selle keemiline täiendavus ja toime elusorganismidele erinevaks. Sarnased, kuid keerulisemad muutused tekivad ka biomolekulide struktuuride muutmisel.
Keemilised molekulaarsed omadused sõltuvad tugev alt molekulide struktuurist ja omadustest: molekulide energiasidemetest ja molekuli enda geomeetriast. See kehtib eriti bioloogiliselt aktiivsete ühendite kohta. See, milline konkureeriv reaktsioon on ülekaalus, määravad sageli ainult ruumilised tegurid, mis omakorda sõltuvad algmolekulidest (nende konfiguratsioonist). Üks "ebamugava" konfiguratsiooniga molekul ei reageeri üldse, samas kui teine sama keemilise koostisega, kuid erineva geomeetriaga molekul võib reageerida koheselt.
Suur hulk kasvu ja paljunemise ajal täheldatud bioloogilisi protsesse on seotud reaktsioonisaaduste ja lähteainete geomeetriliste suhetega. Teadmiseks: suure hulga uute ravimite toime põhineb ühendi sarnasel molekulaarstruktuuril, mis on inimorganismile bioloogilisest seisukohast kahjulik. Ravim asendab kahjuliku molekuli ja muudab selle toimimise keeruliseks.
Keemiliste valemite abil väljendatakse erinevate ainete molekulide koostist ja omadusi. Molekulmassi, keemilise analüüsi põhjal määratakse ja koostatakse aatomsuheempiiriline valem.
Geomeetria
Molekuli geomeetrilise struktuuri määramisel võetakse arvesse aatomituumade tasakaalulist paigutust. Aatomite vastastikmõju energia sõltub aatomite tuumade vahelisest kaugusest. Väga suurte vahemaade korral on see energia null. Kui aatomid lähenevad üksteisele, hakkab moodustuma keemiline side. Siis tõmbavad aatomid üksteise poole tugev alt.
Kui on nõrk külgetõmme, siis pole keemilise sideme teke vajalik. Kui aatomid hakkavad lähenema lähem alt, hakkavad tuumade vahel toimima elektrostaatilised tõukejõud. Aatomite tugeva konvergentsi takistuseks on nende sisemiste elektronkestade kokkusobimatus.
Suurused
Palja silmaga on molekule võimatu näha. Need on nii väikesed, et isegi 1000-kordse suurendusega mikroskoop ei aita meil neid näha. Bioloogid jälgivad baktereid kuni 0,001 mm. Kuid molekulid on sadu ja tuhandeid kordi väiksemad.
Tänapäeval määratakse teatud aine molekulide struktuur difraktsioonimeetoditega: neutronite difraktsioon, röntgendifraktsioonianalüüs. Samuti on olemas vibratsioonispektroskoopia ja elektronide paramagnetiline meetod. Meetodi valik sõltub aine tüübist ja selle seisundist.
Molekuli suurus on tingimuslik väärtus, võttes arvesse elektronkihti. Asi on elektronide kaugustes aatomituumadest. Mida suuremad need on, seda väiksem on tõenäosus molekuli elektronide leidmiseks. Praktikas saab molekulide suuruse määrata tasakaalukaugust arvesse võttes. See on intervall, mille jooksul võivad molekulid ise üksteisele läheneda, kui nad on tihed alt pakitud molekulaarsesse kristalli ja vedelikku.
Suurtel vahemaadel on molekulid, mida meelitada, ja väikestel, vastupidi, tõrjumiseks. Seetõttu aitab molekulaarkristallide röntgendifraktsioonanalüüs leida molekuli mõõtmeid. Kasutades gaaside difusioonikoefitsienti, soojusjuhtivust ja viskoossust, samuti aine tihedust kondenseerunud olekus, saab määrata molekulide suurusjärgu.
