Всички тела, които ни заобикалят, са изградени от атоми. Атомите от своя страна се събират в молекула. Именно поради разликата в молекулярната структура може да се говори за вещества, които се различават едно от друго, въз основа на техните свойства и параметри. Молекулите и атомите винаги са в състояние на динамика. Движейки се, те все още не се разпръскват в различни посоки, а се държат в определена структура, която дължим на съществуването на такова огромно разнообразие от вещества в целия свят около нас. Какви са тези частици и какви са техните свойства?
Общи понятия
Ако започнем от теорията на квантовата механика, тогава молекулата не се състои от атоми, а техните ядра и електрони, които постоянно взаимодействат един с друг.
За някои вещества молекулата е най-малката частица, която има състава и химичните свойства на самото вещество. И така, свойствата на молекулите от гледна точка на химията се определят от тяхната химическа структура икомпозиция. Но само за вещества с молекулярна структура действа правилото: химичните свойства на веществата и молекулите са еднакви. За някои полимери, като етилен и полиетилен, съставът не съответства на молекулния състав.
Известно е, че свойствата на молекулите се определят не само от броя на атомите, техния вид, но и от конфигурацията, реда на свързване. Молекулата е сложна архитектурна структура, в която всеки елемент стои на мястото си и има своите специфични съседи. Атомната структура може да бъде повече или по-малко твърда. Всеки атом вибрира около своето равновесно положение.
Конфигурация и параметри
Случва се някои части на молекулата да се въртят спрямо други части. И така, в процеса на термично движение свободната молекула приема причудливи форми (конфигурации).
По принцип свойствата на молекулите се определят от връзката (нейния тип) между атомите и архитектурата на самата молекула (структура, форма). Така, на първо място, общата химическа теория разглежда химичните връзки и се основава на свойствата на атомите.
Със силна полярност, свойствата на молекулите са трудни за описване с две или три постоянни корелации, които са отлични за неполярни молекули. Поради това беше въведен допълнителен параметър с диполен момент. Но този метод не винаги е успешен, тъй като полярните молекули имат индивидуални характеристики. Предложени са също параметри за отчитане на квантовите ефекти, които са важни при ниски температури.
Какво знаем за молекулата на най-разпространеното вещество на Земята?
От всички вещества на нашата планета, най-разпространеното е водата. Той, в буквалния смисъл, осигурява живот на всичко, което съществува на Земята. Без него могат да се справят само вирусите, останалите живи структури в състава им в по-голямата си част имат вода. Какви свойства на водната молекула, характерни само за нея, се използват в икономическия живот на човека и дивата природа на Земята?
В крайна сметка това е наистина уникално вещество! Никое друго вещество не може да се похвали с набор от свойства, присъщи на водата.
Водата е основният разтворител в природата. Всички реакции, протичащи в живите организми, по един или друг начин, се случват във водната среда. Тоест веществата влизат в реакции, докато са в разтворено състояние.
Водата има отличен топлинен капацитет, но ниска топлопроводимост. Благодарение на тези свойства можем да го използваме като топлинен транспорт. Този принцип е включен в охлаждащия механизъм на голям брой организми. В ядрената енергетика свойствата на водната молекула доведоха до използването на това вещество като охлаждаща течност. Освен възможността да бъде реактивна среда за други вещества, самата вода може да влезе в реакции: фотолиза, хидратация и други.
Натуралната чиста вода е течност без мирис, цвят и вкус. Но при дебелина на слоя, по-голяма от 2 метра, цветът става синкав.
Цялата водна молекула е дипол (два противоположни полюса). Това е диполната структура вопределя главно необичайните свойства на това вещество. Водната молекула е диамагнит.
Металната вода има още едно интересно свойство: нейната молекула придобива структурата на златното сечение, а структурата на веществото придобива пропорциите на златното сечение. Много от свойствата на водната молекула са установени чрез анализиране на абсорбцията и излъчването на ивици спектри в газовата фаза.
Наука и молекулярни свойства
Всички вещества, с изключение на химическите, имат физичните свойства на молекулите, които изграждат тяхната структура.
Във физическата наука концепцията за молекули се използва за обяснение на свойствата на твърдите тела, течностите и газовете. Способността на всички вещества да дифундират, техният вискозитет, топлопроводимост и други свойства се определят от подвижността на молекулите. Когато френският физик Жан Перен изучава Брауновското движение, той експериментално доказва съществуването на молекули. Всички живи организми съществуват благодарение на фино балансирано вътрешно взаимодействие в структурата. Всички химични и физични свойства на веществата са от основно значение за естествените науки. Развитието на физиката, химията, биологията и молекулярната физика доведе до такава наука като молекулярната биология, която изучава основните явления в живота.
Използвайки статистическа термодинамика, физичните свойства на молекулите, които се определят чрез молекулярна спектроскопия, във физическата химия определят термодинамичните свойства на веществата, необходими за изчисляване на химичното равновесие и скоростта на неговото установяване.
Каква е разликата между свойствата на атомите и молекулите?
На първо място, атомите не се срещат в свободно състояние.
Молекулите имат по-богати оптични спектри. Това се дължи на по-ниската симетрия на системата и появата на възможност за нови завъртания и трептения на ядрата. За една молекула общата енергия се състои от три енергии, които са различни по порядък на компонентите:
- електронна обвивка (оптично или ултравиолетово лъчение);
- вибрации на ядрата (инфрачервена част от спектъра);
- въртене на молекулата като цяло (радиочестотен диапазон).
Атомите излъчват характерни линейни спектри, докато молекулите излъчват ивици спектри, състоящи се от много близко разположени линии.
Спектрален анализ
Оптични, електрически, магнитни и други свойства на една молекула също се определят от връзката с вълновите функции. Данните за състоянията на молекулите и вероятния преход между тях показват молекулярни спектри.
Преходите (електронни) в молекулите показват химични връзки и структурата на техните електронни обвивки. Спектрите с повече връзки имат ленти на абсорбция с дълга дължина на вълната, които попадат във видимата област. Ако веществото е изградено от такива молекули, то има характерен цвят. Всичко това са органични багрила.
Свойствата на молекулите на едно и също вещество са еднакви във всички агрегатни състояния. Това означава, че в едни и същи вещества свойствата на молекулите на течни, газообразни вещества не се различават от свойствата на твърдото вещество. Молекулата на едно вещество винаги има една и съща структура, независимо отсамото агрегатно състояние на материята.
Електрически данни
Начинът, по който веществото се държи в електрическо поле, се определя от електрическите характеристики на молекулите: поляризуемост и постоянен диполен момент.
Диполният момент е електрическата асиметрия на молекула. Молекулите, които имат център на симетрия като H2, нямат постоянен диполен момент. Способността на електронната обвивка на молекулата да се движи под въздействието на електрическо поле, в резултат на което в нея се образува индуциран диполен момент, е поляризуемост. За да се намери стойността на поляризуемостта и диполния момент, е необходимо да се измери проницаемостта.
Поведението на светлинна вълна в променливо електрическо поле се характеризира с оптичните свойства на веществото, които се определят от поляризуемостта на молекула от това вещество. Пряко свързани с поляризуемостта са: разсейване, пречупване, оптична активност и други явления на молекулярната оптика.
Често може да се чуе въпросът: „От какво, освен от молекулите, зависят свойствата на дадено вещество?“Отговорът е съвсем прост.
Свойствата на веществата, с изключение на изометрията и кристалната структура, се определят от температурата на околната среда, самото вещество, налягането, наличието на примеси.
Химия на молекулите
Преди формирането на науката за квантовата механика, природата на химичните връзки в молекулите е била неразгадана мистерия. Класическата физика обяснява насочеността инасищане на валентни връзки не може. След създаването на основна теоретична информация за химическата връзка (1927 г.) с помощта на примера на най-простата молекула H2, теорията и методите за изчисление започнаха постепенно да се подобряват. Например, въз основа на широкото използване на метода на молекулярните орбитали, квантовата химия, стана възможно да се изчислят междуатомни разстояния, енергията на молекулите и химичните връзки, разпределението на електронната плътност и други данни, които напълно съвпадат с експерименталните данни.
Вещества със същия състав, но различна химична структура и различни свойства, се наричат структурни изомери. Те имат различни структурни формули, но едни и същи молекулярни формули.
Познати са различни видове структурна изомерия. Разликите са в структурата на въглеродния скелет, позицията на функционалната група или позицията на множествената връзка. Освен това все още има пространствени изомери, в които свойствата на молекулата на веществото се характеризират със същия състав и химична структура. Следователно и структурните, и молекулярните формули са еднакви. Разликите се крият в пространствената форма на молекулата. Специални формули се използват за представяне на различни пространствени изомери.
Има съединения, които се наричат хомолози. Те са сходни по структура и свойства, но се различават по състав с една или повече CH2 групи. Всички вещества, сходни по структура и свойства, се обединяват в хомоложни серии. След като проучи свойствата на един хомолог, може да се разсъждава за всеки друг от тях. Наборът от хомолози е хомоложна серия.
При трансформиране на структурите на материятахимичните свойства на молекулите се променят драстично. Дори най-простите съединения служат за пример: метанът, когато се комбинира дори с един кислороден атом, се превръща в отровна течност, наречена метанол (метилов алкохол - CH3OH). Съответно неговата химическа комплементарност и ефект върху живите организми стават различни. Подобни, но по-сложни промени възникват при модифициране на структурите на биомолекулите.
Химичните молекулярни свойства силно зависят от структурата и свойствата на молекулите: от енергийните връзки в нея и геометрията на самата молекула. Това е особено вярно за биологично активните съединения. Коя конкурираща реакция ще бъде преобладаваща често се определя само от пространствени фактори, които от своя страна зависят от първоначалните молекули (тяхната конфигурация). Една молекула с "неудобна" конфигурация изобщо няма да реагира, докато друга със същия химичен състав, но различна геометрия може да реагира моментално.
Голям брой биологични процеси, наблюдавани по време на растеж и размножаване, са свързани с геометричните връзки между продуктите на реакцията и изходните материали. За ваша информация: действието на значителен брой нови лекарства се основава на подобна молекулярна структура на съединение, което е вредно от биологична гледна точка за човешкото тяло. Лекарството заема мястото на вредната молекула и затруднява действието.
С помощта на химични формули се изразява съставът и свойствата на молекулите на различни вещества. Въз основа на молекулното тегло, химичния анализ се установява и компилира атомното съотношениеемпирична формула.
Геометрия
Определянето на геометричната структура на молекулата се прави, като се вземе предвид равновесното подреждане на атомните ядра. Енергията на взаимодействието на атомите зависи от разстоянието между ядрата на атомите. На много големи разстояния тази енергия е нула. Когато атомите се приближават един към друг, започва да се образува химическа връзка. Тогава атомите са силно привлечени един от друг.
Ако има слабо привличане, тогава образуването на химическа връзка не е необходимо. Ако атомите започнат да се приближават на по-близки разстояния, между ядрата започват да действат електростатични отблъскващи сили. Пречка за силната конвергенция на атомите е несъвместимостта на техните вътрешни електронни обвивки.
Размери
Невъзможно е да се видят молекули с просто око. Те са толкова малки, че дори микроскоп с 1000x увеличение няма да ни помогне да ги видим. Биолозите наблюдават бактерии с размери от 0,001 mm. Но молекулите са стотици и хиляди пъти по-малки.
Днес структурата на молекулите на определено вещество се определя чрез дифракционни методи: неутронна дифракция, рентгенов дифракционен анализ. Има също вибрационна спектроскопия и електронен парамагнитен метод. Изборът на метод зависи от вида на веществото и неговото състояние.
Размерът на една молекула е условна стойност, като се вземе предвид електронната обвивка. Въпросът е в разстоянията на електроните от атомните ядра. Колкото по-големи са те, толкова по-малка е вероятността да се намерят електроните на молекулата. На практика размерът на молекулите може да се определи, като се вземе предвид равновесното разстояние. Това е интервалът, за който самите молекули могат да се доближат една до друга, когато са плътно опаковани в молекулен кристал и в течност.
Големите разстояния имат молекули за привличане, а малките, напротив, за отблъскване. Следователно рентгеновият дифракционен анализ на молекулярните кристали помага да се намерят размерите на молекулата. Използвайки коефициента на дифузия, топлопроводимостта и вискозитета на газовете, както и плътността на веществото в кондензирано състояние, може да се определи порядъка на размерите на молекулите.
