Kaikki meitä ympäröivät kehot koostuvat atomeista. Atomit puolestaan kokoontuvat molekyyliksi. Molekyylirakenteen erosta johtuen voidaan puhua aineista, jotka eroavat toisistaan ominaisuuksiensa ja parametriensa perusteella. Molekyylit ja atomit ovat aina dynamiikkatilassa. Liikkuessaan ne eivät edelleenkään hajoa eri suuntiin, vaan niitä pidetään tietyssä rakenteessa, jonka olemme velkaa niin suuren valikoiman aineita olemassaolosta ympärillämme olevassa maailmassa. Mitä nämä hiukkaset ovat ja mitkä ovat niiden ominaisuudet?
Yleiset käsitteet
Jos aloitamme kvanttimekaniikan teoriasta, niin molekyyli ei koostu atomeista, vaan niiden ytimistä ja elektroneista, jotka ovat jatkuvasti vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
Joidenkin aineiden kohdalla molekyyli on pienin hiukkanen, jolla on itse aineen koostumus ja kemialliset ominaisuudet. Joten molekyylien ominaisuudet kemian kann alta määräytyvät sen kemiallisen rakenteen jasävellys. Mutta vain aineille, joilla on molekyylirakenne, sääntö toimii: aineiden ja molekyylien kemialliset ominaisuudet ovat samat. Joidenkin polymeerien, kuten eteenin ja polyeteenin, koostumus ei vastaa molekyylikoostumusta.
On tunnettua, että molekyylien ominaisuudet määräytyvät paitsi atomien lukumäärän, niiden tyypin, myös konfiguraation, kytkentäjärjestyksen mukaan. Molekyyli on monimutkainen arkkitehtoninen rakenne, jossa jokainen elementti seisoo paikallaan ja jolla on tietyt naapurit. Atomirakenne voi olla enemmän tai vähemmän jäykkä. Jokainen atomi värähtelee tasapainoasemansa ympäri.
Konfigurointi ja parametrit
Sattuu niin, että jotkin molekyylin osat pyörivät suhteessa muihin osiin. Joten lämpöliikkeen prosessissa vapaa molekyyli saa outoja muotoja (konfiguraatioita).
Periaatteessa molekyylien ominaisuudet määräytyvät atomien välisen sidoksen (sen tyypin) ja itse molekyylin arkkitehtuurin (rakenteen, muodon) mukaan. Näin ollen ensinnäkin yleinen kemian teoria ottaa huomioon kemialliset sidokset ja perustuu atomien ominaisuuksiin.
Jossa on vahva polariteetti, molekyylien ominaisuuksia on vaikea kuvata kahden tai kolmen vakion korrelaatioilla, jotka ovat erinomaisia ei-polaarisille molekyyleille. Siksi otettiin käyttöön lisäparametri dipolimomentilla. Mutta tämä menetelmä ei aina ole onnistunut, koska polaarisilla molekyyleillä on yksilöllisiä ominaisuuksia. Parametreja on myös ehdotettu ottamaan huomioon kvanttivaikutukset, jotka ovat tärkeitä alhaisissa lämpötiloissa.
Mitä tiedämme maapallon yleisimmän aineen molekyylistä?
Kaikista planeetallamme olevista aineista yleisin on vesi. Kirjaimellisessa merkityksessä se tarjoaa elämän kaikelle maan päällä olevalle. Vain virukset pärjäävät ilman sitä, muissa elävissä rakenteissa niiden koostumuksessa on suurimmaksi osaksi vettä. Mitä vain sille ominaisia vesimolekyylin ominaisuuksia käytetään ihmisen ja maapallon villieläinten talouselämässä?
Tämä on loppujen lopuksi todella ainutlaatuinen aine! Mikään muu aine ei voi ylpeillä vedessä olevista ominaisuuksista.
Vesi on tärkein liuotin luonnossa. Kaikki elävissä organismeissa tapahtuvat reaktiot, tavalla tai toisella, tapahtuvat vesiympäristössä. Toisin sanoen aineet osallistuvat reaktioihin ollessaan liuenneessa tilassa.
Vedellä on erinomainen lämpökapasiteetti, mutta alhainen lämmönjohtavuus. Näiden ominaisuuksien ansiosta voimme käyttää sitä lämmönsiirtona. Tämä periaate sisältyy useiden organismien jäähdytysmekanismiin. Ydinvoimateollisuudessa vesimolekyylin ominaisuudet saivat aikaan tämän aineen käytön jäähdytysaineena. Sen lisäksi, että vesi voi olla reaktiivinen väliaine muille aineille, se voi itse osallistua reaktioihin: fotolyysiin, hydraatioon ja muihin.
Luonnollinen puhdas vesi on hajuton, väritön ja mauton neste. Mutta jos kerrospaksuus on yli 2 metriä, väri muuttuu sinertäväksi.
Koko vesimolekyyli on dipoli (kaksi vastakkaista napaa). Se on dipolirakennemäärittää pääasiassa tämän aineen epätavalliset ominaisuudet. Vesimolekyyli on diamagneetti.
Metallivedellä on toinen mielenkiintoinen ominaisuus: sen molekyyli saa kultaisen leikkauksen rakenteen ja aineen rakenne kultaleikkauksen mittasuhteet. Monet vesimolekyylin ominaisuuksista on osoitettu analysoimalla raidallisten spektrien absorptio ja emissio kaasufaasissa.
Tiede ja molekyyliominaisuudet
Kaikilla aineilla, paitsi kemiallisilla, on niiden rakenteen muodostavien molekyylien fysikaaliset ominaisuudet.
Fysikaalisessa tieteessä molekyylien käsitettä käytetään selittämään kiinteiden aineiden, nesteiden ja kaasujen ominaisuuksia. Kaikkien aineiden kyky diffundoitua, niiden viskositeetti, lämmönjohtavuus ja muut ominaisuudet määräytyvät molekyylien liikkuvuuden mukaan. Kun ranskalainen fyysikko Jean Perrin tutki Brownin liikettä, hän todisti kokeellisesti molekyylien olemassaolon. Kaikki elävät organismit ovat olemassa rakenteen hienosti tasapainotetun sisäisen vuorovaikutuksen ansiosta. Kaikki aineiden kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat luonnontieteelle perustavanlaatuisia. Fysiikan, kemian, biologian ja molekyylifysiikan kehitys synnytti sellaisen tieteen kuin molekyylibiologia, joka tutkii elämän perusilmiöitä.
Käyttäen tilastollista termodynamiikkaa molekyylispektroskopialla määritetyt molekyylien fysikaaliset ominaisuudet fysikaalisessa kemiassa määrittävät aineiden termodynaamiset ominaisuudet, jotka ovat välttämättömiä kemiallisen tasapainon laskemiseksi ja sen muodostumisnopeudet.
Mitä eroa on atomien ja molekyylien ominaisuuksien välillä?
Ensinnäkin atomit eivät esiinny vapaassa tilassa.
Molekyyleillä on rikkaammat optiset spektrit. Tämä johtuu järjestelmän alhaisemmasta symmetriasta ja uusien ytimien pyörimisten ja värähtelyjen mahdollisuudesta. Molekyylille kokonaisenergia koostuu kolmesta energiasta, jotka eroavat komponenttien suuruusjärjestyksessä:
- elektroninen kuori (optinen tai ultraviolettisäteily);
- ytimien värähtelyt (spektrin infrapunaosa);
- molekyylin pyöriminen kokonaisuutena (radiotaajuusalue).
Atomit lähettävät tunnusomaisia viivaspektrejä, kun taas molekyylit lähettävät raidallisia spektrejä, jotka koostuvat monista lähekkäin olevista viivoista.
Spektrianalyysi
Molekyylin optiset, sähköiset, magneettiset ja muut ominaisuudet määräytyvät myös yhteydestä a altofunktioihin. Molekyylien tiloja ja niiden välistä todennäköistä siirtymää koskevat tiedot osoittavat molekyylispektrit.
Molekyylien (elektroniset) siirtymät osoittavat kemiallisia sidoksia ja niiden elektronikuoren rakenteen. Spekreissä, joissa on enemmän yhteyksiä, on pitkän aallonpituuden absorptiokaistat, jotka putoavat näkyvälle alueelle. Jos aine on rakennettu tällaisista molekyyleistä, sillä on tyypillinen väri. Nämä ovat kaikki orgaanisia väriaineita.
Saman aineen molekyylien ominaisuudet ovat samat kaikissa aggregaatiotiloissa. Tämä tarkoittaa, että samoissa aineissa nestemäisten, kaasumaisten aineiden molekyylien ominaisuudet eivät eroa kiinteän aineen ominaisuuksista. Yhden aineen molekyylillä on aina sama rakenne, riippumatta siitäitse aineen aggregoitu tila.
Sähkötiedot
Aine käyttäytyy sähkökentässä määräytyy molekyylien sähköisten ominaisuuksien perusteella: polarisoituvuus ja pysyvä dipolimomentti.
Dipolimomentti on molekyylin sähköinen epäsymmetria. Molekyyleillä, joilla on symmetriakeskus, kuten H2, ei ole pysyvää dipolimomenttia. Molekyylin elektronikuoren kyky liikkua sähkökentän vaikutuksesta, jonka seurauksena siihen muodostuu indusoitunut dipolimomentti, on polarisoituvuus. Polarisoituvuuden ja dipolimomentin arvon löytämiseksi on tarpeen mitata permittiivisyys.
Valoaallon käyttäytymiselle vaihtuvassa sähkökentässä on tunnusomaista aineen optiset ominaisuudet, jotka määräytyvät tämän aineen molekyylin polarisoituvuuden perusteella. Polarisoituvuuteen liittyvät suoraan: sironta, taittuminen, optinen aktiivisuus ja muut molekyylioptiikan ilmiöt.
Voi usein kuulla kysymyksen: "Mistä aineen ominaisuudet riippuvat molekyylien lisäksi?" Vastaus on melko yksinkertainen.
Aineiden ominaisuudet isometriaa ja kiderakennetta lukuun ottamatta määräytyvät ympäristön lämpötilan, itse aineen, paineen, epäpuhtauksien läsnäolon mukaan.
Molekyylien kemia
Ennen kvanttimekaniikan tieteen muodostumista molekyyleissä olevien kemiallisten sidosten luonne oli ratkaisematon mysteeri. Klassinen fysiikka selittää suuntaavuuden javalenssisidosten kyllästymistä ei voitu tehdä. Sen jälkeen kun kemiallista sidosta koskeva teoreettinen perustieto oli luotu (1927) yksinkertaisimman H2-molekyylin esimerkillä, teoriaa ja laskentamenetelmiä alettiin vähitellen parantaa. Esimerkiksi molekyylikiertoradan menetelmän, kvanttikemian laajan käytön perusteella tuli mahdolliseksi laskea atomien välisiä etäisyyksiä, molekyylien ja kemiallisten sidosten energiaa, elektronitiheyden jakautumista ja muuta dataa, joka täsmäsi täysin kokeellisen tiedon kanssa.
Aineita, joilla on sama koostumus, mutta erilainen kemiallinen rakenne ja erilaiset ominaisuudet, kutsutaan rakenneisomeereiksi. Niillä on erilaiset rakennekaavat, mutta samat molekyylikaavat.
Erilaisia rakenteellisia isomeriatyyppejä tunnetaan. Erot ovat hiilirungon rakenteessa, funktionaalisen ryhmän sijainnissa tai moninkertaisen sidoksen sijainnissa. Lisäksi on edelleen spatiaalisia isomeerejä, joissa ainemolekyylin ominaisuuksille on tunnusomaista sama koostumus ja kemiallinen rakenne. Siksi sekä rakenne- että molekyylikaavat ovat samat. Erot ovat molekyylin tilamuodossa. Erikoiskaavoja käytetään esittämään erilaisia spatiaalisia isomeerejä.
On yhdisteitä, joita kutsutaan homologeiksi. Ne ovat rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan samanlaisia, mutta eroavat koostumuksesta yhden tai useamman CH2-ryhmän os alta. Kaikki rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan samanlaiset aineet yhdistetään homologisiin sarjoihin. Tutkittuaan yhden homologin ominaisuuksia voidaan perustella mitä tahansa muuta niistä. Homologien joukko on homologinen sarja.
Aineen rakenteita muutettaessamolekyylien kemialliset ominaisuudet muuttuvat dramaattisesti. Yksinkertaisimmatkin yhdisteet toimivat esimerkkinä: metaanista, kun se yhdistetään edes yhteen happiatomiin, tulee myrkyllistä nestettä nimeltä metanoli (metyylialkoholi - CH3OH). Näin ollen sen kemiallinen täydentävyys ja vaikutus eläviin organismeihin muuttuvat erilaiseksi. Samanlaisia, mutta monimutkaisempia muutoksia tapahtuu biomolekyylien rakenteita muutettaessa.
Kemialliset molekyyliominaisuudet riippuvat voimakkaasti molekyylien rakenteesta ja ominaisuuksista: niissä olevista energiasidoksista ja itse molekyylin geometriasta. Tämä koskee erityisesti biologisesti aktiivisia yhdisteitä. Se, mikä kilpaileva reaktio on vallitseva, määräytyy usein vain tilatekijöiden perusteella, jotka puolestaan riippuvat alkuperäisistä molekyyleistä (niiden konfiguraatiosta). Yksi "epämiellyttävän" konfiguraation omaava molekyyli ei reagoi ollenkaan, kun taas toinen, jolla on sama kemiallinen koostumus mutta erilainen geometria, voi reagoida välittömästi.
Suuri joukko kasvun ja lisääntymisen aikana havaittuja biologisia prosesseja liittyy reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden välisiin geometrisiin suhteisiin. Tiedoksi: huomattavan määrän uusia lääkkeitä toiminta perustuu samanlaiseen molekyylirakenteeseen, joka on ihmiskeholle biologisesti haitallinen yhdiste. Lääke korvaa haitallisen molekyylin ja vaikeuttaa sen toimintaa.
Kemiallisten kaavojen avulla ilmaistaan eri aineiden molekyylien koostumus ja ominaisuudet. Molekyylipainon, kemiallisen analyysin perusteella atomisuhde määritetään ja kootaanempiirinen kaava.
Geometria
Molekyylin geometrisen rakenteen määritys tehdään ottaen huomioon atomiytimien tasapainojärjestely. Atomien vuorovaikutusenergia riippuu atomiytimien välisestä etäisyydestä. Hyvin suurilla etäisyyksillä tämä energia on nolla. Kun atomit lähestyvät toisiaan, kemiallinen sidos alkaa muodostua. Silloin atomit vetoavat voimakkaasti toisiinsa.
Jos vetovoima on heikko, kemiallisen sidoksen muodostuminen ei ole välttämätöntä. Jos atomit alkavat lähestyä lähempänä etäisyyttä, sähköstaattiset hylkivät voimat alkavat vaikuttaa ytimien väliin. Este atomien voimakkaalle konvergenssille on niiden sisäisten elektronikuorten yhteensopimattomuus.
Koot
Molekyylejä on mahdotonta nähdä paljaalla silmällä. Ne ovat niin pieniä, että edes 1000-kertaisella suurennuksella varustettu mikroskooppi ei auta meitä näkemään niitä. Biologit havaitsevat niinkin pieniä bakteereja kuin 0,001 mm. Mutta molekyylit ovat satoja ja tuhansia kertoja pienempiä.
Nykyään tietyn aineen molekyylien rakenne määritetään diffraktiomenetelmillä: neutronidiffraktio, röntgendiffraktioanalyysi. On myös värähtelyspektroskopia ja elektroniparamagneettinen menetelmä. Menetelmän valinta riippuu aineen tyypistä ja sen kunnosta.
Molekyylin koko on ehdollinen arvo, kun otetaan huomioon elektronikuori. Pointti on elektronien etäisyydet atomiytimistä. Mitä suurempia ne ovat, sitä vähemmän todennäköistä on löytää molekyylin elektroneja. Käytännössä molekyylien koko voidaan määrittää ottamalla huomioon tasapainoetäisyys. Tämä on aika, jonka ajan molekyylit itse voivat lähestyä toisiaan, kun ne ovat tiiviisti pakattuina molekyylikiteeseen ja nesteeseen.
Suurilla etäisyyksillä on molekyylejä, jotka houkuttelevat puoleensa, ja pienillä päinvastoin hylkivät. Siksi molekyylikiteiden röntgendiffraktioanalyysi auttaa löytämään molekyylin mitat. Käyttämällä kaasujen diffuusiokerrointa, lämmönjohtavuutta ja viskositeettia sekä aineen tiheyttä kondensoituneessa tilassa voidaan määrittää molekyylikokojen suuruusluokka.
