Alle de kroppe, der omgiver os, består af atomer. Atomer samles til gengæld til et molekyle. Det er på grund af forskellen i den molekylære struktur, at man kan tale om stoffer, der er forskellige fra hinanden, ud fra deres egenskaber og parametre. Molekyler og atomer er altid i en tilstand af dynamik. Når de bevæger sig, spredes de stadig ikke i forskellige retninger, men holdes i en bestemt struktur, som vi skylder eksistensen af et så stort udvalg af stoffer i hele verden omkring os. Hvad er disse partikler, og hvad er deres egenskaber?
Generelle begreber
Hvis vi tager udgangspunkt i kvantemekanikkens teori, så består molekylet ikke af atomer, men deres kerner og elektroner, som konstant interagerer med hinanden.
For nogle stoffer er et molekyle den mindste partikel, der har stoffets sammensætning og kemiske egenskaber. Så molekylernes egenskaber fra et kemisynspunkt bestemmes af dets kemiske struktur ogsammensætning. Men kun for stoffer med en molekylær struktur virker reglen: de kemiske egenskaber af stoffer og molekyler er de samme. For nogle polymerer, såsom ethylen og polyethylen, svarer sammensætningen ikke til den molekylære sammensætning.
Det er kendt, at molekylers egenskaber ikke kun bestemmes af antallet af atomer, deres type, men også af konfigurationen, rækkefølgen af forbindelsen. Et molekyle er en kompleks arkitektonisk struktur, hvor hvert element står på sin plads og har sine specifikke naboer. Atomstrukturen kan være mere eller mindre stiv. Hvert atom vibrerer omkring sin ligevægtsposition.
Konfiguration og parametre
Det sker, at nogle dele af molekylet roterer i forhold til andre dele. Så i processen med termisk bevægelse antager et frit molekyle bizarre former (konfigurationer).
Dybest set bestemmes molekylers egenskaber af bindingen (dens type) mellem atomer og selve molekylets arkitektur (struktur, form). For det første betragter den generelle kemiske teori således kemiske bindinger og er baseret på atomers egenskaber.
Med en stærk polaritet er molekylers egenskaber svære at beskrive med to- eller tre-konstante korrelationer, som er fremragende til ikke-polære molekyler. Derfor blev der indført en yderligere parameter med et dipolmoment. Men denne metode er ikke altid vellykket, da polære molekyler har individuelle egenskaber. Parametre er også blevet foreslået for at tage højde for kvanteeffekter, som er vigtige ved lave temperaturer.
Hvad ved vi om molekylet af det mest almindelige stof på Jorden?
Af alle stoffer på vores planet er vand det mest almindelige. Det giver i bogstavelig forstand liv til alt, hvad der findes på Jorden. Kun vira kan undvære det, resten af de levende strukturer i deres sammensætning har for det meste vand. Hvilke egenskaber ved vandmolekylet, kun karakteristiske for det, bruges i menneskets økonomiske liv og jordens dyreliv?
Dette er trods alt et helt unikt stof! Intet andet stof kan prale af et sæt egenskaber, der er iboende i vand.
Vand er det vigtigste opløsningsmiddel i naturen. Alle reaktioner, der forekommer i levende organismer, sker på den ene eller anden måde i vandmiljøet. Det vil sige, at stoffer indgår i reaktioner, mens de er i opløst tilstand.
Vand har fremragende varmekapacitet, men lav varmeledningsevne. Takket være disse egenskaber kan vi bruge det som varmetransport. Dette princip er inkluderet i kølemekanismen for et stort antal organismer. I atomkraftindustrien gav vandmolekylets egenskaber anledning til brugen af dette stof som kølemiddel. Udover muligheden for at være et reaktivt medium for andre stoffer, kan vand selv indgå i reaktioner: fotolyse, hydrering og andre.
Naturligt rent vand er en lugtfri, farveløs og smagløs væske. Men ved en lagtykkelse på mere end 2 meter bliver farven blålig.
Hele vandmolekylet er en dipol (to modsatte poler). Det er dipolstrukturen ibestemmer hovedsageligt de usædvanlige egenskaber af dette stof. Vandmolekylet er en diamagnet.
Metalvand har en anden interessant egenskab: dets molekyle erhverver strukturen af det gyldne snit, og strukturen af stoffet erhverver proportionerne af det gyldne snit. Mange af vandmolekylets egenskaber er blevet etableret ved at analysere absorption og emission af stribede spektre i gasfasen.
Videnskab og molekylære egenskaber
Alle stoffer, undtagen kemiske, har de fysiske egenskaber som de molekyler, der udgør deres struktur.
I fysisk videnskab bruges begrebet molekyler til at forklare egenskaberne ved faste stoffer, væsker og gasser. Alle stoffers evne til at diffundere, deres viskositet, termiske ledningsevne og andre egenskaber bestemmes af molekylernes mobilitet. Da den franske fysiker Jean Perrin studerede Brownsk bevægelse, beviste han eksperimentelt eksistensen af molekyler. Alle levende organismer eksisterer på grund af en fint afbalanceret indre interaktion i strukturen. Alle stoffers kemiske og fysiske egenskaber er af fundamental betydning for naturvidenskaben. Udviklingen af fysik, kemi, biologi og molekylær fysik gav anledning til en sådan videnskab som molekylærbiologi, der studerer de grundlæggende fænomener i livet.
Ved brug af statistisk termodynamik bestemmer de fysiske egenskaber af molekyler, som bestemmes ved molekylær spektroskopi, i fysisk kemi de termodynamiske egenskaber af stoffer, der er nødvendige for at beregne kemiske ligevægte og hastighederne for dets etablering.
Hvad er forskellen mellem egenskaberne ved atomer og molekyler?
For det første forekommer atomer ikke i den frie tilstand.
Molekyler har rigere optiske spektre. Dette skyldes systemets lavere symmetri og fremkomsten af muligheden for nye rotationer og oscillationer af kernerne. For et molekyle består den samlede energi af tre energier, der er forskellige i størrelsesordenen af komponenterne:
- elektronisk skal (optisk eller ultraviolet stråling);
- vibrationer af kerner (infrarød del af spektret);
- rotation af molekylet som helhed (radiofrekvensområde).
Atomer udsender karakteristiske liniespektre, mens molekyler udsender stribede spektre, der består af mange tætsiddende linjer.
Spektralanalyse
Optiske, elektriske, magnetiske og andre egenskaber ved et molekyle bestemmes også af forbindelsen med bølgefunktionerne. Data om molekylernes tilstande og den sandsynlige overgang mellem dem viser molekylære spektre.
Overgange (elektroniske) i molekyler viser kemiske bindinger og strukturen af deres elektronskaller. Spektre med flere forbindelser har absorptionsbånd med lang bølgelængde, der falder ind i det synlige område. Hvis et stof er bygget af sådanne molekyler, har det en karakteristisk farve. Disse er alle organiske farvestoffer.
Egenskaber af molekyler af det samme stof er de samme i alle aggregeringstilstande. Det betyder, at i de samme stoffer adskiller egenskaberne af molekylerne af flydende, gasformige stoffer sig ikke fra det faste stofs egenskaber. Et stofs molekyle har altid den samme struktur, uansetselve stoffets aggregerede tilstand.
Elektriske data
Måden et stof opfører sig i et elektrisk felt er bestemt af molekylernes elektriske egenskaber: polariserbarhed og permanent dipolmoment.
Dipolmoment er den elektriske asymmetri af et molekyle. Molekyler, der har et symmetricenter som H2, har ikke et permanent dipolmoment. Evnen af et molekyles elektronskal til at bevæge sig under påvirkning af et elektrisk felt, som et resultat af hvilket der dannes et induceret dipolmoment i det, er polariserbarhed. For at finde værdien af polariserbarhed og dipolmoment er det nødvendigt at måle permittiviteten.
En lysbølges opførsel i et vekslende elektrisk felt er karakteriseret ved et stofs optiske egenskaber, som er bestemt af polariserbarheden af et molekyle af dette stof. Direkte relateret til polariserbarhed er: spredning, brydning, optisk aktivitet og andre fænomener inden for molekylær optik.
Man kan ofte høre spørgsmålet: "Hvad afhænger et stofs egenskaber af udover molekyler?" Svaret er ret enkelt.
Egenskaber af stoffer, bortset fra isometri og krystalstruktur, er bestemt af temperaturen i omgivelserne, selve stoffet, tryk, tilstedeværelsen af urenheder.
Kemi af molekyler
Før dannelsen af videnskaben om kvantemekanik var arten af kemiske bindinger i molekyler et uløst mysterium. Klassisk fysik forklarer retningsbestemt ogmætning af valensbindinger kunne ikke. Efter skabelsen af grundlæggende teoretisk information om den kemiske binding (1927) ved hjælp af eksemplet med det enkleste H2-molekyle, begyndte teorien og beregningsmetoderne gradvist at blive forbedret. For eksempel, baseret på den udbredte brug af metoden for molekylære orbitaler, kvantekemi, blev det muligt at beregne interatomiske afstande, energien af molekyler og kemiske bindinger, fordelingen af elektrontæthed og andre data, der faldt fuldstændig sammen med eksperimentelle data.
Stoffer med samme sammensætning, men forskellig kemisk struktur og forskellige egenskaber, kaldes strukturelle isomerer. De har forskellige strukturformler, men de samme molekylære formler.
Forskellige typer af strukturel isomerisme er kendt. Forskellene ligger i kulstofskelettets struktur, den funktionelle gruppes position eller multipelbindingens position. Derudover er der stadig rumlige isomerer, hvor egenskaberne af et stofmolekyle er karakteriseret ved samme sammensætning og kemiske struktur. Derfor er både strukturelle og molekylære formler de samme. Forskellene ligger i molekylets rumlige form. Særlige formler bruges til at repræsentere forskellige rumlige isomerer.
Der er forbindelser, der kaldes homologer. De er ens i struktur og egenskaber, men adskiller sig i sammensætning med en eller flere CH2-grupper. Alle stoffer ens i struktur og egenskaber kombineres til homologe serier. Efter at have studeret egenskaberne af en homolog, kan man ræsonnere om enhver anden af dem. Sættet af homologer er en homolog serie.
Når man transformerer stoffets strukturerde kemiske egenskaber af molekyler ændrer sig dramatisk. Selv de simpleste forbindelser tjener som et eksempel: metan, når det kombineres med blot et iltatom, bliver en giftig væske kaldet methanol (methylalkohol - CH3OH). Følgelig bliver dens kemiske komplementaritet og virkning på levende organismer anderledes. Lignende, men mere komplekse ændringer opstår, når biomolekylers strukturer modificeres.
Kemiske molekylære egenskaber afhænger stærkt af molekylers struktur og egenskaber: af energibindingerne i det og geometrien af selve molekylet. Dette gælder især i biologisk aktive forbindelser. Hvilken konkurrerende reaktion, der vil være fremherskende, bestemmes ofte kun af rumlige faktorer, som igen afhænger af de initiale molekyler (deres konfiguration). Et molekyle med en "ubehagelig" konfiguration vil slet ikke reagere, mens et andet med samme kemiske sammensætning men en anden geometri kan reagere øjeblikkeligt.
Et stort antal biologiske processer observeret under vækst og reproduktion er forbundet med de geometriske forhold mellem reaktionsprodukterne og udgangsmaterialerne. Til din information: Virkningen af et betydeligt antal nye lægemidler er baseret på en lignende molekylær struktur af en forbindelse, der er skadelig fra et biologisk synspunkt for den menneskelige krop. Lægemidlet træder i stedet for det skadelige molekyle og gør det svært at handle.
Ved hjælp af kemiske formler udtrykkes sammensætningen og egenskaberne af forskellige stoffers molekyler. Baseret på molekylvægten, kemisk analyse, etableres og kompileres atomforholdetempirisk formel.
Geometri
Bestemmelse af den geometriske struktur af et molekyle foretages under hensyntagen til ligevægtsarrangementet af atomkerner. Atomers interaktionsenergi afhænger af afstanden mellem atomkernerne. Ved meget store afstande er denne energi nul. Når atomerne nærmer sig hinanden, begynder en kemisk binding at dannes. Så bliver atomerne stærkt tiltrukket af hinanden.
Hvis der er en svag tiltrækning, er dannelsen af en kemisk binding ikke nødvendig. Hvis atomerne begynder at nærme sig tættere på afstand, begynder elektrostatiske frastødende kræfter at virke mellem kernerne. En hindring for en stærk konvergens af atomer er inkompatibiliteten af deres indre elektronskaller.
Størrelser
Det er umuligt at se molekyler med det blotte øje. De er så små, at selv et mikroskop med 1000x forstørrelse ikke vil hjælpe os med at se dem. Biologer observerer bakterier så små som 0,001 mm. Men molekyler er hundreder og tusinder af gange mindre.
I dag bestemmes strukturen af molekyler af et bestemt stof ved diffraktionsmetoder: neutrondiffraktion, røntgendiffraktionsanalyse. Der er også vibrationsspektroskopi og den elektronparamagnetiske metode. Valget af metode afhænger af typen af stof og dets tilstand.
Størrelsen af et molekyle er en betinget værdi, der tager elektronskallen i betragtning. Punktet er afstanden mellem elektroner fra atomkerner. Jo større de er, jo mindre sandsynligt er det at finde molekylets elektroner. I praksis kan molekylernes størrelse bestemmes ved at tage højde for ligevægtsafstanden. Dette er det interval, hvor molekylerne selv kan nærme sig hinanden, når de er tæt pakket i en molekylær krystal og i en væske.
Store afstande har molekyler til at tiltrække, og små, tværtimod, til frastødning. Derfor hjælper røntgendiffraktionsanalyse af molekylære krystaller med at finde molekylets dimensioner. Ved hjælp af diffusionskoefficienten, termisk ledningsevne og viskositet af gasser, samt massefylden af et stof i kondenseret tilstand, kan man bestemme størrelsesordenen af molekylestørrelser.
