Bizni oʻrab turgan barcha jismlar atomlardan tashkil topgan. Atomlar, o'z navbatida, molekulaga yig'iladi. Molekulyar tuzilishdagi farq tufayli xossalari va parametrlariga qarab bir-biridan farq qiluvchi moddalar haqida gapirish mumkin. Molekulalar va atomlar doimo dinamik holatda bo'ladi. Harakatlanayotganda, ular hali ham turli yo'nalishlarda tarqalmaydilar, balki ma'lum bir tuzilishda saqlanadilar, bu bizni atrofimizdagi butun dunyoda juda ko'p turli xil moddalar mavjudligidan qarzdormiz. Bu zarralar nima va ularning xususiyatlari qanday?
Umumiy tushunchalar
Kvant mexanikasi nazariyasidan boshlasak, u holda molekula atomlardan emas, balki ularning yadrolari va bir-biri bilan doimo oʻzaro taʼsir qiluvchi elektronlardan iborat boʻladi.
Ba'zi moddalar uchun molekula moddaning o'ziga xos tarkibi va kimyoviy xossalariga ega bo'lgan eng kichik zarrachadir. Demak, kimyo nuqtai nazaridan molekulalarning xossalari uning kimyoviy tuzilishi va bilan belgilanaditarkibi. Ammo faqat molekulyar tuzilishga ega bo'lgan moddalar uchun qoida ishlaydi: moddalar va molekulalarning kimyoviy xossalari bir xil. Ba'zi polimerlar, masalan, etilen va polietilen uchun, tarkibi molekulyar tarkibga mos kelmaydi.
Ma'lumki, molekulalarning xossalari nafaqat atomlar soni, ularning turi, balki konfiguratsiyasi, ulanish tartibi bilan ham belgilanadi. Molekula murakkab me'moriy tuzilma bo'lib, unda har bir element o'z o'rnida turadi va o'ziga xos qo'shnilariga ega. Atom tuzilishi ko'proq yoki kamroq qattiq bo'lishi mumkin. Har bir atom oʻzining muvozanat holatida tebranadi.
Konfiguratsiya va parametrlar
Molekulaning ba'zi qismlari boshqa qismlarga nisbatan aylanishi sodir bo'ladi. Shunday qilib, issiqlik harakati jarayonida erkin molekula g'alati shakllarga (konfiguratsiyalarga) ega bo'ladi.
Asosan molekulalarning xossalari atomlar oʻrtasidagi bogʻlanish (uning turi) va molekulaning oʻzi arxitekturasi (tuzilishi, shakli) bilan belgilanadi. Shunday qilib, birinchi navbatda, umumiy kimyoviy nazariya kimyoviy bog'lanishlarni ko'rib chiqadi va atomlarning xususiyatlariga asoslanadi.
Kuchli qutblilik bilan molekulalarning xossalarini ikki yoki uch doimiy korrelyatsiya bilan tasvirlash qiyin, bu qutbsiz molekulalar uchun juda yaxshi. Shuning uchun dipol momentga ega bo'lgan qo'shimcha parametr kiritildi. Ammo bu usul har doim ham muvaffaqiyatli emas, chunki qutbli molekulalar individual xususiyatlarga ega. Past haroratlarda muhim bo'lgan kvant effektlarini hisobga olish uchun parametrlar ham taklif qilingan.
Biz Yerdagi eng keng tarqalgan moddaning molekulasi haqida nimalarni bilamiz?
Sayyoramizdagi barcha moddalar ichida eng keng tarqalgani suvdir. U, tom ma'noda, Yerda mavjud bo'lgan barcha narsalar uchun hayotni ta'minlaydi. Busiz faqat viruslar qila oladi, qolgan tirik tuzilmalar tarkibida suv bor. Suv molekulasining faqat unga xos bo'lgan qanday xususiyatlari insonning iqtisodiy hayotida va Yerning hayvonot dunyosida qo'llaniladi?
Axir, bu haqiqatan ham noyob moddadir! Boshqa hech qanday modda suvga xos xususiyatlar to‘plami bilan maqtana olmaydi.
Suv tabiatdagi asosiy erituvchidir. Tirik organizmlarda sodir bo'ladigan barcha reaktsiyalar, u yoki bu tarzda, suv muhitida sodir bo'ladi. Ya'ni moddalar erigan holatda reaksiyaga kirishadi.
Suv mukammal issiqlik sig'imiga ega, lekin past issiqlik o'tkazuvchanligiga ega. Ushbu xususiyatlar tufayli biz uni issiqlik tashuvchisi sifatida ishlatishimiz mumkin. Bu tamoyil ko'p sonli organizmlarning sovutish mexanizmiga kiritilgan. Yadro energetikasida suv molekulasining xossalari ushbu moddaning sovutuvchi sifatida ishlatilishiga sabab bo'ldi. Boshqa moddalar uchun reaktiv muhit bo'lish imkoniyatidan tashqari, suvning o'zi ham reaktsiyalarga kirishishi mumkin: fotoliz, hidratsiya va boshqalar.
Tabiiy toza suv hidsiz, rangsiz va mazasiz suyuqlikdir. Ammo qalinligi 2 metrdan oshiq qatlamda rang mavimsi bo'ladi.
Suvning butun molekulasi dipol (ikki qarama-qarshi qutb). Bu dipol tuzilishiasosan ushbu moddaning g'ayrioddiy xususiyatlarini aniqlaydi. Suv molekulasi diamagnetdir.
Metal suvning yana bir qiziqarli xususiyati bor: uning molekulasi oltin nisbat tuzilishiga ega bo'ladi va moddaning tuzilishi oltin qismning nisbatlarini oladi. Suv molekulasining ko'pgina xususiyatlari gaz fazasida chiziqli spektrlarning yutilishi va emissiyasini tahlil qilish orqali aniqlangan.
Fan va molekulyar xususiyatlar
Barcha moddalar, kimyoviy moddalardan tashqari, ularning tuzilishini tashkil etuvchi molekulalarning fizik xususiyatlariga ega.
Fizika fanida qattiq, suyuqlik va gazlarning xossalarini tushuntirish uchun molekulalar tushunchasidan foydalaniladi. Barcha moddalarning tarqalish qobiliyati, ularning yopishqoqligi, issiqlik o'tkazuvchanligi va boshqa xususiyatlari molekulalarning harakatchanligi bilan belgilanadi. Frantsuz fizigi Jan Perren Braun harakatini o'rganayotganda molekulalarning mavjudligini eksperimental ravishda isbotladi. Barcha tirik organizmlar tuzilishdagi nozik muvozanatli ichki o'zaro ta'sir tufayli mavjud. Moddalarning barcha kimyoviy va fizik xossalari tabiatshunoslik uchun fundamental ahamiyatga ega. Fizika, kimyo, biologiya va molekulyar fizikaning rivojlanishi hayotdagi asosiy hodisalarni o'rganuvchi molekulyar biologiya kabi fanning paydo bo'lishiga olib keldi.
Statistik termodinamikadan foydalanib, fizik kimyoda molekulyar spektroskopiya bilan aniqlanadigan molekulalarning fizik xossalari kimyoviy muvozanatni hisoblash uchun zarur boʻlgan moddalarning termodinamik xossalarini va uni oʻrnatish tezligini aniqlaydi.
Atomlar va molekulalar xossalari oʻrtasidagi farq nima?
Birinchidan, atomlar erkin holatda boʻlmaydi.
Molekulalar yanada boy optik spektrlarga ega. Bu tizimning pastki simmetriyasi va yadrolarning yangi aylanishlari va tebranishlari ehtimolining paydo bo'lishi bilan bog'liq. Molekula uchun umumiy energiya tarkibiy qismlarning kattaligi bo'yicha farqlanadigan uchta energiyadan iborat:
- elektron qobiq (optik yoki ultrabinafsha nurlanish);
- yadrolarning tebranishlari (spektrning infraqizil qismi);
- bir butun molekulaning aylanishi (radiochastota diapazoni).
Atomlar xarakterli chiziqli spektrlarni, molekulalar esa bir-biriga yaqin joylashgan koʻplab chiziqlardan iborat chiziqli spektrlarni chiqaradi.
Spektral tahlil
Molekulaning optik, elektr, magnit va boshqa xossalari ham toʻlqin funksiyalari bilan bogʻliqligi bilan aniqlanadi. Molekulalarning holati va ular orasidagi ehtimoliy oʻtish haqidagi maʼlumotlar molekulyar spektrlarni koʻrsatadi.
Molekulalardagi oʻtishlar (elektron) kimyoviy bogʻlanishlarni va ularning elektron qavatlarining tuzilishini koʻrsatadi. Ko'proq ulanishga ega bo'lgan spektrlar ko'rinadigan hududga tushadigan uzun to'lqinli yutilish bantlariga ega. Agar modda bunday molekulalardan qurilgan bo'lsa, u xarakterli rangga ega. Bularning barchasi organik bo‘yoqlar.
Bir moddaning molekulalarining xossalari agregatsiyaning barcha holatlarida bir xil. Demak, bir xil moddalarda suyuq, gazsimon moddalar molekulalarining xossalari qattiq jismning xossalaridan farq qilmaydi. Bir moddaning molekulasi qanday bo'lishidan qat'i nazar, har doim bir xil tuzilishga egamateriyaning umumiy holati.
Elektr ma'lumotlari
Maddaning elektr maydonida oʻzini tutishi molekulalarning elektr xususiyatlari bilan belgilanadi: qutblanish qobiliyati va doimiy dipol momenti.
Dipol momenti molekulaning elektr assimetriyasidir. H2 kabi simmetriya markaziga ega boʻlgan molekulalarda doimiy dipol momenti boʻlmaydi. Molekulaning elektron qobig'ining elektr maydoni ta'sirida harakat qilish qobiliyati, buning natijasida unda induksiyalangan dipol moment hosil bo'ladi - qutblanish. Polarizatsiya va dipol moment qiymatini topish uchun o'tkazuvchanlikni o'lchash kerak.
Oʻzgaruvchan elektr maydonidagi yorugʻlik toʻlqinining harakati moddaning optik xususiyatlari bilan tavsiflanadi, ular ushbu modda molekulasining qutblanish qobiliyati bilan belgilanadi. To'g'ridan-to'g'ri qutblanish qobiliyatiga quyidagilar kiradi: tarqalish, sinishi, optik faollik va molekulyar optikaning boshqa hodisalari.
Ko'pincha savolni eshitish mumkin: "Molekulalardan tashqari moddaning xususiyatlari nimaga bog'liq?" Javob juda oddiy.
Maddalarning xossalari, izometriya va kristall strukturasidan tashqari, atrof-muhit harorati, moddaning o'zi, bosimi, aralashmalar mavjudligi bilan belgilanadi.
Molekulalar kimyosi
Kvant mexanikasi fani paydo boʻlgunga qadar molekulalardagi kimyoviy bogʻlanishlarning tabiati ochilmagan sir edi. Klassik fizika yo'nalishni tushuntiradi vavalentlik bog'lanishlarining to'yinganligi mumkin emas. Eng oddiy H2 molekulasi misolida kimyoviy bog'lanish haqidagi asosiy nazariy ma'lumotlar yaratilgandan so'ng (1927) nazariya va hisoblash usullari asta-sekin takomillashtirila boshladi. Masalan, molekulyar orbitallar usuli, kvant kimyosining keng qo'llanilishi asosida atomlararo masofalarni, molekulalar energiyasini va kimyoviy bog'lanishlarni, elektron zichligi taqsimotini va tajriba ma'lumotlariga to'liq mos keladigan boshqa ma'lumotlarni hisoblash mumkin bo'ldi..
Tarkibi bir xil, ammo kimyoviy tuzilishi va xossalari har xil boʻlgan moddalar struktura izomerlari deyiladi. Ularning strukturaviy formulalari har xil, ammo molekulyar formulalari bir xil.
Tuzilish izomeriyasining har xil turlari ma'lum. Farqlar uglerod skeletining tuzilishida, funktsional guruhning holatida yoki bir nechta bog'lanish holatida yotadi. Bundan tashqari, hali ham fazoviy izomerlar mavjud bo'lib, ularda modda molekulasining xususiyatlari bir xil tarkib va kimyoviy tuzilish bilan tavsiflanadi. Shuning uchun ham strukturaviy, ham molekulyar formulalar bir xil. Farqlar molekulaning fazoviy shaklida yotadi. Turli fazoviy izomerlarni ifodalash uchun maxsus formulalardan foydalaniladi.
Gomologlar deb ataladigan birikmalar mavjud. Ular tuzilishi va xossalari bo'yicha o'xshash, lekin tarkibida bir yoki bir nechta CH2 guruhlari bilan farqlanadi. Tuzilishi va xossalari boʻyicha oʻxshash barcha moddalar gomologik qatorlarga birlashtiriladi. Bitta gomologning xususiyatlarini o'rganib chiqib, ulardan har qanday boshqasi haqida fikr yuritish mumkin. Gomologlar toʻplami gomologik qatordir.
Materiya tuzilmalarini o'zgartirgandamolekulalarning kimyoviy xossalari keskin o'zgaradi. Hatto eng oddiy birikmalar ham misol bo'la oladi: metan hatto bitta kislorod atomi bilan birlashganda metanol (metil spirti - CH3OH) deb ataladigan zaharli suyuqlikka aylanadi. Shunga ko'ra, uning kimyoviy to'ldiruvchiligi va tirik organizmlarga ta'siri boshqacha bo'ladi. Shunga o'xshash, ammo murakkabroq o'zgarishlar biomolekulalarning strukturasini o'zgartirganda sodir bo'ladi.
Kimyoviy molekulyar xossalar molekulalarning tuzilishi va xususiyatlariga: undagi energiya aloqalariga va molekulaning geometriyasiga kuchli bog'liqdir. Bu, ayniqsa, biologik faol birikmalarga tegishli. Qaysi raqobatdosh reaktsiyalar ustun bo'lishi ko'pincha faqat fazoviy omillar bilan belgilanadi, bu esa o'z navbatida boshlang'ich molekulalarga (ularning konfiguratsiyasi) bog'liqdir. “Noqulay” konfiguratsiyaga ega molekulalardan biri umuman reaksiyaga kirishmaydi, kimyoviy tarkibi bir xil, lekin geometriyasi boshqa molekula bir zumda reaksiyaga kirishishi mumkin.
O'sish va ko'payish jarayonida kuzatilgan ko'plab biologik jarayonlar reaksiya mahsulotlari va boshlang'ich materiallar o'rtasidagi geometrik munosabatlar bilan bog'liq. Ma'lumot uchun: ko'plab yangi dori vositalarining ta'siri inson tanasi uchun biologik nuqtai nazardan zararli bo'lgan birikmaning o'xshash molekulyar tuzilishiga asoslangan. Preparat zararli molekula o'rnini egallaydi va uning harakatini qiyinlashtiradi.
Kimyoviy formulalar yordamida turli moddalar molekulalarining tarkibi va xossalari ifodalanadi. Molekulyar og'irlik, kimyoviy tahlil asosida atom nisbati o'rnatiladi va tuziladiempirik formula.
Geometriya
Molekulaning geometrik tuzilishini aniqlash atom yadrolarining muvozanatli joylashishini hisobga olgan holda amalga oshiriladi. Atomlarning o'zaro ta'sir energiyasi atomlarning yadrolari orasidagi masofaga bog'liq. Juda katta masofalarda bu energiya nolga teng. Atomlar bir-biriga yaqinlashganda, kimyoviy bog'lanish hosil bo'la boshlaydi. Shunda atomlar bir-biriga kuchli tortiladi.
Agar zaif tortishish bo'lsa, unda kimyoviy bog'lanishning shakllanishi shart emas. Agar atomlar yaqinroq masofaga yaqinlasha boshlasa, yadrolar orasida elektrostatik itaruvchi kuchlar harakat qila boshlaydi. Atomlarning kuchli konvergentsiyasiga to'siq bu ularning ichki elektron qavatlarining mos kelmasligidir.
Oʻlchamlar
Molekulalarni oddiy ko'z bilan ko'rish mumkin emas. Ular shunchalik kichikki, hatto 1000x kattalashtirishga ega mikroskop ham ularni ko'rishga yordam bermaydi. Biologlar 0,001 mm gacha bo'lgan bakteriyalarni kuzatadilar. Ammo molekulalar yuzlab va minglab marta kichikroq.
Bugungi kunda ma'lum bir moddaning molekulalarining tuzilishi difraksion usullar bilan aniqlanadi: neytron diffraktsiyasi, rentgen nurlari difraksion tahlili. Vibratsiyali spektroskopiya va elektron paramagnit usuli ham mavjud. Usulni tanlash moddaning turiga va uning holatiga bog'liq.
Molekulaning kattaligi elektron qobiqni hisobga olgan holda shartli qiymatdir. Nuqta - elektronlarning atom yadrolaridan masofalari. Ular qanchalik katta bo'lsa, molekula elektronlarini topish ehtimoli shunchalik past bo'ladi. Amalda molekulalarning o'lchamini muvozanat masofasini hisobga olgan holda aniqlash mumkin. Bu molekulyar kristall va suyuqlikda zich joylashganda molekulalarning bir-biriga yaqinlasha oladigan oraliqdir.
Katta masofalar o'ziga tortadigan molekulalarga, kichiklari esa, aksincha, itarishga ega. Shuning uchun molekulyar kristallarning rentgen nurlari difraksion tahlili molekulaning o'lchamlarini topishga yordam beradi. Gazlarning diffuziya koeffitsienti, issiqlik o'tkazuvchanligi va yopishqoqligi, shuningdek, kondensatsiyalangan holatdagi moddaning zichligi yordamida molekulyar o'lchamlarning kattalik tartibini aniqlash mumkin.
