Бизди курчап турган бардык денелер атомдордон турат. Атомдор, өз кезегинде, бир молекулага чогулат. Молекулярдык түзүлүштөгү айырмачылыктан улам, касиеттери жана параметрлери боюнча бири-биринен айырмаланган заттар жөнүндө сөз кылууга болот. Молекулалар жана атомдор ар дайым динамикалык абалда болушат. Кыймылдап, алар дагы эле ар кандай багытта чачырап жок, бирок бизди курчап турган бүткүл дүйнөдө заттардын ушунчалык көп түрдүү болушу үчүн милдеттүүбүз, белгилүү бир түзүлүштө кармалып турат. Бул бөлүкчөлөр эмне жана алардын касиеттери кандай?
Жалпы түшүнүктөр
Эгер кванттык механиканын теориясынан баштасак, анда молекула атомдордон эмес, алардын бири-бири менен тынымсыз өз ара аракеттенүүчү өзөктөрүнөн жана электрондордон турат.
Кээ бир заттар үчүн молекула заттын өзүнүн курамына жана химиялык касиетине ээ болгон эң кичинекей бөлүкчө. Ошентип, химиянын көз карашынан алганда молекулалардын касиеттери анын химиялык түзүлүшү менен аныкталат жанакурамы. Бирок молекулярдык түзүлүштөгү заттар үчүн гана эреже иштейт: заттар менен молекулалардын химиялык касиеттери бирдей. Этилен жана полиэтилен сыяктуу кээ бир полимерлердин курамы молекулалык курамга дал келбейт.
Молекулалардын касиеттери атомдордун саны, алардын түрү менен гана эмес, конфигурациясы, байланыш тартиби менен да аныктала тургандыгы белгилүү. Молекула – татаал архитектуралык түзүлүш, мында ар бир элемент өз ордунда турат жана анын белгилүү кошуналары бар. Атомдук түзүлүш аздыр-көптүр катуу болушу мүмкүн. Ар бир атом өзүнүн тең салмактуу абалына карата титирет.
Конфигурация жана параметрлер
Молекуланын кээ бир бөлүктөрү башка бөлүктөргө салыштырмалуу айланат. Ошентип, жылуулук кыймылы процессинде эркин молекула таң калыштуу формаларды (конфигурацияларды) алат.
Негизинен, молекулалардын касиеттери атомдордун ортосундагы байланыш (анын түрү) жана молекуланын өзүнүн архитектурасы (структурасы, формасы) менен аныкталат. Ошентип, биринчи кезекте, жалпы химиялык теория химиялык байланыштарды карайт жана атомдордун касиеттерине негизделет.
Күчтүү полярдуулук менен молекулалардын касиеттерин эки же үч туруктуу корреляция менен сүрөттөп берүү кыйын, алар полярдуу эмес молекулалар үчүн эң сонун. Ошондуктан, диполь моменти менен кошумча параметр киргизилген. Бирок бул ыкма дайыма эле ийгиликтүү боло бербейт, анткени полярдык молекулалар жеке мүнөздөмөлөргө ээ. Төмөн температурада маанилүү болгон кванттык эффекттерди эсепке алуу үчүн параметрлер да сунушталды.
Жердеги эң кеңири тараган заттын молекуласы жөнүндө эмне билебиз?
Планетабыздагы бардык заттардын ичинен эң кеңири тараганы суу. Ал, түз мааниде, жер бетинде бар болгон нерселердин бардыгына жашоону камсыз кылат. Ансыз вирустар гана иштей алат, калган тирүү түзүлүштөрдүн курамында көбүнчө суу бар. Ага гана мүнөздүү болгон суу молекуласынын кандай касиеттери адамдын чарбалык жашоосунда жана жердин жапайы жаратылышында колдонулат?
Анткени, бул чындап эле уникалдуу зат! Башка эч бир зат сууга мүнөздүү касиеттердин жыйындысы менен мактана албайт.
Суу жаратылыштагы негизги эриткич болуп саналат. Тирүү организмдерде пайда болгон бардык реакциялар тигил же бул жол менен суу чөйрөсүндө болот. Башкача айтканда, заттар эриген абалда реакцияга кирет.
Суунун эң сонун жылуулук сыйымдуулугу бар, бирок жылуулук өткөрүмдүүлүгү төмөн. Бул касиеттери аркасында биз аны жылуулук транспорту катары колдоно алабыз. Бул принцип көп сандагы организмдердин муздатуу механизмине кирет. Атомдук энергетика тармагында суу молекуласынын касиеттери бул заттын муздаткыч катары колдонулушун шарттаган. Башка заттар үчүн реактивдүү чөйрө болуу мүмкүнчүлүгүнөн тышкары, суунун өзү реакцияларга кириши мүмкүн: фотолиз, гидратация жана башкалар.
Табигый таза суу – жытсыз, түссүз жана даамы жок суюктук. Бирок катмардын калыңдыгы 2 метрден ашса, түс көгүш болуп калат.
Суунун бүт молекуласы диполь (эки карама-каршы уюл). Бул диполдук түзүлүшнегизинен бул заттын адаттан тыш касиеттерин аныктайт. Суу молекуласы диамагнит.
Металл суусунун дагы бир кызыктуу касиети бар: анын молекуласы алтын катыштын түзүлүшүнө ээ болот, ал эми заттын түзүлүшү алтын бөлүмдүн пропорцияларына ээ болот. Суу молекуласынын көптөгөн касиеттери газ фазасындагы тилкелүү спектрлердин жутулушун жана эмиссиясын талдоо аркылуу аныкталган.
Илим жана молекулалык касиеттер
Химиялык заттардан башка бардык заттар, алардын түзүлүшүн түзгөн молекулалардын физикалык касиеттерине ээ.
Физика илиминде катуу заттардын, суюктуктардын жана газдардын касиеттерин түшүндүрүү үчүн молекулалар түшүнүгү колдонулат. Бардык заттардын диффузияга жөндөмдүүлүгү, алардын илешкектүүлүгү, жылуулук өткөрүмдүүлүгү жана башка касиеттери молекулалардын кыймылдуулугу менен аныкталат. Француз физиги Жан Перрен броун кыймылын изилдеп жүргөндө молекулалардын бар экенин эксперимент жолу менен далилдеген. Бардык тирүү организмдер структурасындагы жакшы тең салмактуу ички өз ара аракеттенүүсүнөн улам бар. Заттардын бардык химиялык жана физикалык касиеттери табият таануу үчүн принципиалдуу мааниге ээ. Физиканын, химиянын, биологиянын жана молекулярдык физиканын өнүгүшү жашоодогу негизги кубулуштарды изилдөөчү молекулалык биология сыяктуу илимди пайда кылды.
Статистикалык термодинамиканы колдонуп, молекулалык спектроскопия аркылуу аныкталуучу молекулалардын физикалык касиеттери физикалык химияда химиялык тең салмактуулукту эсептөө үчүн зарыл болгон заттардын термодинамикалык касиеттерин жана аны түзүү ылдамдыгын аныктайт.
Атомдор менен молекулалардын касиеттеринин ортосунда кандай айырма бар?
Биринчиден, атомдор эркин абалда болбойт.
Молекулалар бай оптикалык спектрлерге ээ. Бул системанын төмөнкү симметриясына жана ядролордун жаңы айланууларынын жана термелүүлөрүнүн мүмкүнчүлүктөрүнүн пайда болушуна байланыштуу. Молекула үчүн жалпы энергия компоненттеринин чоңдугу боюнча айырмаланган үч энергиядан турат:
- электрондук кабык (оптикалык же ультрафиолет нурлануусу);
- ядролордун термелүүсү (спектрдин инфракызыл бөлүгү);
- молекуланын бүтүндөй айлануусу (радио жыштык диапазону).
Атомдор мүнөздүү сызык спектрлерин, ал эми молекулалар бир-бирине жакын жайгашкан көптөгөн сызыктардан турган чаар спектрлерди чыгарышат.
Спектралдык анализ
Молекуланын оптикалык, электрдик, магниттик жана башка касиеттери да толкун функциялары менен байланышы аркылуу аныкталат. Молекулалардын абалы жана алардын ортосундагы ыктымал өтүү жөнүндө маалыматтар молекулалык спектрлерди көрсөтөт.
Молекулалардагы өтүүлөр (электрондук) химиялык байланыштарды жана алардын электрондук кабыктарынын түзүлүшүн көрсөтөт. Көбүрөөк байланыштары бар спектрлерде көрүнүүчү аймакка түшкөн узун толкундардагы жутуу тилкелери бар. Эгерде зат ушундай молекулалардан курулса, анда ал мүнөздүү түскө ээ. Булардын баары органикалык боёктор.
Бир эле заттын молекулаларынын касиеттери агрегациянын бардык абалында бирдей. Бул ошол эле заттарда суюк, газ абалындагы заттардын молекулаларынын касиеттери катуу заттын касиетинен айырмаланбайт дегенди билдирет. бир заттын молекуласы карабастан, дайыма бирдей түзүлүшкө ээзаттын өзүнүн жалпы абалы.
Электрдик маалымат
Заттын электр талаасында кыймыл-аракети молекулалардын электрдик мүнөздөмөлөрү менен аныкталат: поляризациялуулугу жана туруктуу диполь моменти.
Диполь моменти – молекуланын электрдик асимметриясы. H2 сыяктуу симметрия борбору бар молекулалардын туруктуу диполь моменти болбойт. Молекуланын электрон кабыкчасынын электр талаасынын таасири астында кыймылга жөндөмдүүлүгү, анын натыйжасында анда индукцияланган диполь моменти пайда болот - поляризациялуулугу. Поляризациялануунун жана диполдук моменттин маанисин табуу үчүн өткөргүчтүктү өлчөө керек.
Өзгөрмө электр талаасындагы жарык толкунунун жүрүм-туруму бул заттын молекуласынын поляризациялуулугу менен аныкталуучу заттын оптикалык касиеттери менен мүнөздөлөт. Поляризацияланууга түздөн-түз байланыштуу: чачыратуу, сынуу, оптикалык активдүүлүк жана молекулалык оптиканын башка кубулуштары.
Адамда: "Заттын касиеттери молекулалардан тышкары эмнеден көз каранды?" деген суроону көп угууга болот. Жооп абдан жөнөкөй.
Заттардын касиеттери, изометриядан жана кристаллдык структурадан башкасы, айлана-чөйрөнүн температурасы, заттын өзү, басым, аралашмалардын болушу менен аныкталат.
Молекулалардын химиясы
Кванттык механика илими пайда болгонго чейин молекулалардагы химиялык байланыштардын табияты ачыла элек табышмак болгон. Классикалык физика багыттуулукту түшүндүрөт жанаваленттик байланыштарды каныктыра алган жок. Эң жөнөкөй Н2 молекуласынын мисалында химиялык байланыш жөнүндө негизги теориялык маалыматтар түзүлгөндөн кийин (1927-ж.) теория жана эсептөө ыкмалары акырындык менен өркүндөтүлө баштаган. Маселен, молекулярдык орбиталдардын методун, кванттык химияны кенири колдонуунун негизинде атомдор аралык аралыктарды, молекулалардын энергиясын жана химиялык байланыштарды, электрондун тыгыздыгынын таралышын жана эксперименттин маалыматтары менен толук дал келген башка маалыматтарды эсептеп чыгуу мумкунчулугу пайда болду.
Составы бирдей, бирок химиялык структурасы жана касиеттери ар башка болгон заттар структуралык изомерлер деп аталат. Алардын структуралык формулалары ар кандай, бирок молекулалык формулалары бирдей.
Структуралык изомериянын ар кандай түрлөрү белгилүү. Айырмачылыктар көмүртек скелетинин түзүлүшүндө, функционалдык топтун абалында же көп байланыштын абалында болот. Мындан тышкары, дагы эле бир зат молекуласынын касиеттери бирдей курамы жана химиялык түзүлүшү менен мүнөздөлгөн мейкиндик изомерлери бар. Демек, структуралык да, молекулалык да формулалар бирдей. Айырмачылыктар молекуланын мейкиндик формасында. Ар кандай мейкиндик изомерлерин көрсөтүү үчүн атайын формулалар колдонулат.
Гомологдор деп аталган кошулмалар бар. Алар түзүлүшү жана касиеттери боюнча окшош, бирок курамы боюнча бир же бир нече СН2 топтору менен айырмаланат. Түзүлүшү жана касиеттери боюнча окшош бардык заттар гомологдук катарга бириктирилет. Бир гомологдун касиеттерин изилдеп чыгып, башкасы жөнүндө ой жүгүртүүгө болот. Гомологдордун жыйындысы гомологдук катар.
Заттын түзүлүштөрүн өзгөрткөндөмолекулалардын химиялык касиеттери кескин өзгөрөт. Эң жөнөкөй кошулмалар да мисал боло алат: метан бир кычкылтек атому менен кошулганда метанол (метил спирти - CH3OH) деп аталган уулуу суюктукка айланат. Ошого жараша анын химиялык толуктоосу жана тирүү организмдерге тийгизген таасири ар түрдүү болот. Окшош, бирок татаалыраак өзгөрүүлөр биомолекулалардын структурасын өзгөртүүдө болот.
Химиялык молекулалык касиеттер молекулалардын түзүлүшүнө жана касиеттерине: андагы энергетикалык байланыштарга жана молекуланын өзүнүн геометриясына катуу көз каранды. Бул өзгөчө биологиялык активдүү кошулмаларга тиешелүү. Кайсы атаандаш реакция басымдуу болоору көбүнчө мейкиндик факторлору менен гана аныкталат, алар өз кезегинде баштапкы молекулаларга (алардын конфигурациясына) көз каранды. "Ыңгайсыз" конфигурациядагы бир молекула такыр реакция кылбайт, ал эми химиялык курамы бирдей, бирок геометриясы башка молекула заматта реакцияга кириши мүмкүн.
Өсүү жана көбөйүү учурунда байкалган көп сандагы биологиялык процесстер реакция продуктылары менен баштапкы материалдардын ортосундагы геометриялык байланыштар менен байланышкан. Маалымат үчүн: бир топ жаңы дарылардын аракети адамдын организми үчүн биологиялык көз караштан алганда зыяндуу кошулмалардын окшош молекулярдык түзүлүшүнө негизделген. Дары зыяндуу молекуланын ордун ээлеп, анын аракетин кыйындатат.
Химиялык формулалардын жардамы менен түрдүү заттардын молекулаларынын курамы жана касиеттери туюнтулат. Молекулярдык салмактын, химиялык анализдин негизинде атомдук катыш түзүлөт жана түзүлөтэмпирикалык формула.
Геометрия
Молекуланын геометриялык түзүлүшүн аныктоо атомдук ядролордун тең салмактуу жайгашуусун эске алуу менен жүргүзүлөт. Атомдордун өз ара аракеттенүү энергиясы атомдордун ядролорунун ортосундагы аралыкка көз каранды. Өтө чоң аралыкта бул энергия нөлгө барабар. Атомдор бири-бирине жакындаган сайын химиялык байланыш түзүлө баштайт. Ошондо атомдор бири-бирине катуу тартылат.
Эгер алсыз тартылуу болсо, анда химиялык байланыштын пайда болушунун кереги жок. Атомдор жакын аралыкта келе баштаса, ядролордун ортосунда электростатикалык түртүүчү күчтөр аракет кыла баштайт. Атомдордун күчтүү конвергенциясына алардын ички электрондук кабыктарынын бири-бирине шайкеш келбегендиги тоскоолдук кылат.
Өлчөмдөрү
Молекулаларды жөнөкөй көз менен көрүү мүмкүн эмес. Алар ушунчалык кичинекей болгондуктан, 1000 эсе чоңойтуучу микроскоп да бизге аларды көрүүгө жардам бербейт. Биологдор 0,001 ммдей кичинекей бактерияларды байкашат. Бирок молекулалар жүздөгөн жана миңдеген эсе кичине.
Бүгүнкү күндө белгилүү бир заттын молекулаларынын түзүлүшү дифракциялык методдор менен аныкталат: нейтрондук дифракция, рентген нурларынын дифракциялык анализи. Ошондой эле термелүү спектроскопиясы жана электрондук парамагниттик ыкмасы бар. Методду тандоо заттын түрүнө жана анын абалына жараша болот.
Молекуланын өлчөмү электрондук кабыкты эске алуу менен шарттуу маани болуп саналат. чекит атомдук ядролордон электрондордун аралыктары. Алар канчалык чоң болсо, молекуланын электрондорун табуу мүмкүнчүлүгү ошончолук аз болот. Практикада молекулалардын өлчөмүн тең салмактуулук аралыкты эсепке алуу менен аныктоого болот. Бул молекулярдык кристаллда жана суюктукта тыгыз пакеттелгенде молекулалар бири-бирине жакындай ала турган интервал.
Чоң аралыктарды өзүнө тарта турган молекулалар, ал эми кичинекейлери, тескерисинче, түртүүчү молекулаларга ээ. Ошондуктан, молекулалык кристаллдардын рентгендик дифракциялык анализи молекуланын өлчөмдөрүн табууга жардам берет. Газдардын диффузия коэффициентин, жылуулук өткөрүмдүүлүгүн жана илешкектүүлүгүн, ошондой эле конденсацияланган абалдагы заттын тыгыздыгын колдонуп, молекулалык өлчөмдөрдүн чоңдук тартибин аныктоого болот.
