מבנה ותכונות של מולקולות

כל הגופים המקיפים אותנו מורכבים מאטומים. האטומים, בתורם, להרכיב מולקולה. זה בגלל ההבדל במבנה המולקולרי שאנחנו יכולים לדבר על חומרים שונים זה מזה, להסתמך על המאפיינים שלהם ופרמטרים. מולקולות ואטומים נמצאים תמיד במצב של דינמיקה. בזמן שהם נעים, הם עדיין לא מתפזרים לכיוונים שונים, אבל מוחזקים במבנה מסוים, מאשר אנו מחויבים לקיומו של מגוון עצום של חומרים בעולם שסביבנו. מהם החלקיקים האלה ומהם תכונותיהם?

מושגים כלליים

אם נתחיל מהתיאוריה של מכניקת הקוונטים, המולקולה לא תכלול אטומים, אלא של הגרעינים והאלקטרונים שלהם, אשר כל הזמן מתקיימים זה עם זה.

עבור חומרים מסוימים, המולקולה היא הקטנה ביותרחלקיק בעל הרכב ומאפיינים כימיים של החומר עצמו. לפיכך, המאפיינים של מולקולות מנקודת המבט של הכימיה נקבעים על ידי המבנה הכימי שלה והרכב. אבל רק עבור חומרים עם מבנה המבנה המולקולרי: התכונות הכימיות של חומרים ומולקולות זהים. עבור פולימרים מסוימים, למשל, אתילן ופוליאתילן, הרכב אינו מתאים אחד מולקולרי.

זה ידוע כי תכונות של מולקולות לא נקבעורק את מספר האטומים, סוג שלהם, אבל גם את התצורה, את הסדר של החיבור. מולקולה היא מבנה אדריכלי מורכב, שבו כל אלמנט עומד במקומו ויש לו שכנים ספציפיים משלו. מבנה האטום יכול להיות נוקשה פחות או יותר. כל אטום מתנדנד ביחס למצב שיווי המשקל שלו.

תצורה והגדרות

זה קורה כי חלקים מסוימים של המולקולה מסתובבים ביחס לחלקים אחרים. לכן, בתהליך של תנועה תרמית, מולקולה חופשית רוכש צורות מוזרות (תצורות).

באופן כללי, המאפיינים של מולקולות נקבעים על ידי הקשר(סוגו) בין האטומים לבין הארכיטקטורה של המולקולה עצמה (מבנה, צורה). לכן, קודם כל התיאוריה הכימית הכללית רואה קשרים כימיים והוא מבוסס על המאפיינים של אטומים.

עם קוטביות בולטת מאוד, את המאפיינים של המולקולותקשה לתאר מתאמים שניים או שלושה מתמידים, שהם מצוינים למולקולות לא פולריות. לכן, פרמטר נוסף עם רגע dipole היה הציג. אבל שיטה זו אינה תמיד מוצלחת, שכן למולקולות הקוטב יש מאפיינים אישיים. פרמטרים עבור חשבונאות עבור אפקטים קוונטיים שחשובים בטמפרטורות נמוכות הוצעו גם.

מה אנו יודעים על המולקולה של החומר השופע ביותר בכדור הארץ?

מכל החומרים על הפלנטה שלנו, הכי הרבהנפוץ הוא מים. זה, במובן המילולי, מספק חיים לכל מה שקיים על פני כדור הארץ. רק וירוסים יכולים לעשות בלעדיו, מבנים חיים אחרים בהרכב שלהם על פי רוב יש מים. אילו תכונות של מולקולת המים, האופיינית לה בלבד, משמשות בחייו הכלכליים של האדם ובטבעו החי של כדור הארץ?

אחרי הכל, זה באמת חומר ייחודי! מערכת התכונות הגלום במים, לא יכול להתפאר יותר מכל חומר.

המים הם הממס העיקרי בטבע. כל התגובות המתרחשות באורגניזמים חיים, בדרך זו או אחרת, מתרחשות בסביבה המימית. כלומר, החומרים מגיבים כאשר הם במצב מומס.

מים יש קיבולת חום מעולה, אבל נמוךמוליכות תרמית. בזכות תכונות כאלה, אנו יכולים להשתמש בו כמו תחבורה חום. עיקרון זה הוא חלק ממנגנון הקירור של מספר גדול של אורגניזמים. בעוצמה הגרעינית, המאפיינים של מולקולת המים שימשו תירוץ לשימוש בחומר זה כקירור. בנוסף להיותו יכול להיות מדיום תגובתי לחומרים אחרים, המים עצמם יכולים להיכנס לתגובות: פוטוליזה, הידרציה ועוד.

מים נקיים טבעיים הם נוזל שאין לו ריח, צבע וטעם. אבל על עובי השכבה, יותר מ 2 מטר, צבע הופך כחלחל.

המולקולה כולה של מים היא דיפול (שני מוטות שאינם דומים). זהו מבנה דיפול אשר קובע בעיקר את המאפיינים יוצאי דופן של חומר זה. מולקולת המים היא קוטר.

עוד נכס מעניין הוא מופשרמים: מולקולה שלה רוכשת יחס הזהב, ואת המבנה של החומר - הפרופורציות של סעיף הזהב. תכונות רבות כי מולקולת מים בבעלות הם הוקמה על ידי ניתוח ספיגה פליטה של ​​ספקטרום מפוספס בשלב הגז.

מדעי הטבע ותכונות מולקולריות

כל החומרים, למעט כימיים, יש את התכונות הפיזיות של המולקולות המרכיבות את המבנה שלהם.

במדעי הפיזיקה, מושג המולקולות משמשהסברים על תכונות מוצקים, נוזלים וגזים. היכולת של כל החומרים לפזר, צמיגות שלהם, מוליכות תרמית ומאפיינים אחרים נקבעים על ידי ניידות של מולקולות. כאשר הפיסיקאי הצרפתי ז'אן פרין למד תנועה בראונית, הוא הוכיח ניסוי את קיומן של מולקולות. כל אורגניזמים חיים קיימים בשל אינטראקציה פנימית מאוזנת היטב במבנה. כל התכונות הכימיות והפיסיקליות של החומרים הן בעלות חשיבות בסיסית למדע הטבע. התפתחות הפיזיקה, הכימיה, הביולוגיה והפיזיקה המולקולרית הובילה להופעתה של מדע כזה כמו ביולוגיה מולקולרית, אשר בוחנת את התופעות המרכזיות בחיים.

באמצעות תרמודינמיקה סטטיסטית,תכונות פיסיקליות של מולקולות, אשר קובעות את השיטות של ספקטרוסקופיה מולקולרית, בכימיה פיסיקלית לקבוע את התכונות התרמודינמיות של חומרים הדרושים לחישוב שיווי משקל כימי ושיעורי הקמתה.

מה ההבדל בין תכונות האטומים והמולקולות בינם לבין עצמם?

ראשית, אטומים אינם מתרחשים במצב חופשי.

במולקולות, הספקטרה האופטית עשירה יותר. זאת בשל סימטריה נמוכה של המערכת ואת המראה של האפשרות של סיבובים חדשים תנודות של הגרעינים. במולקולה, האנרגיה הכוללת מורכבת משלושה אנרגיות, אשר נבדלות בסדר גודל:

• קליפה אלקטרונית (קרינה אופטית או סגולה);
• תנודות של גרעינים (חלק אינפרא אדום של הספקטרום);
• סיבוב של המולקולה כולה (טווח תדר רדיו).

האטומים פולטים ספקטרום קו אופייני, ומולקולות - מפוספסות, המורכבות ממערכת של קווים מרווחים.

ניתוח ספקטרלי

אופטיים, חשמליים, מגנטיים ואחריםהמאפיינים של המולקולה נקבעים גם על ידי חיבור עם פונקציות גל. נתונים על מצבי המולקולות והמעבר האפשרי ביניהם מראים ספקטרום מולקולרי.

מעברים (אלקטרוניים) במולקולותקשרים כימיים ומבנה פגזי האלקטרונים שלהם. ספקטרה שיש מספר גדול יותר של קשרים יש להקות הקליטה ארוך אורך גל נופלים לאזור גלוי. אם חומר בנוי ממולקולות כאלה, יש לו צבע אופייני. הכל צבעים אורגניים.

תכונות של מולקולות של אותו חומרזהים בכל המצבים. משמעות הדבר היא כי עבור אותם חומרים, המאפיינים של מולקולות של נוזלי, חומרים גזי אינם שונים מן המאפיינים של חומרים מוצקים. למולקולה של חומר אחד יש תמיד אותו מבנה, ללא תלות במצב המצטבר של החומר עצמו.

תכונות חשמליות

אופן התנהלות החומר בשדה חשמלי נקבע על ידי המאפיינים החשמליים של המולקולות: polarizability ורגע דיפול קבוע.

רגע הדיפול הוא האסימטריה החשמלית של מולקולה. עבור מולקולות שיש להן מרכז סימטריה, כמו H₂, אין רגע דיפול קבוע. היכולת של קליפת האלקטרונים של מולקולה לנוע תחת השפעת שדה חשמלי, וכתוצאה מכך נוצר רגע דיפול המושרה בו, הוא polarizability. כדי למצוא את הערך של polarizability רגע דיפול, יש צורך למדוד את permittivity.

התנהגות בשדה חשמלי לסירוגיןגל אור מאפיין את התכונות האופטיות של החומר, אשר נקבעים על ידי polarizability של המולקולה של החומר הזה. ישירות עם polarizability מחוברים: פיזור, שבירה, פעילות אופטית ותופעות אחרות של אופטיקה מולקולרית.

לעתים קרובות ניתן לשמוע את השאלה: "מה, מלבד מולקולות, האם תכונותיו של חומר תלויים בו?" התשובה לכך פשוטה למדי.

המאפיינים של חומרים, בנוסף איזומטרי המבנה הגבישי, נקבעים על ידי טמפרטורת הסביבה, החומר עצמו, לחץ, נוכחות של זיהומים.

כימיה של מולקולות

לפני היווצרות של מדע כזה כמו קוונטימכניקה, טבעם של קשרים כימיים במולקולות היה תעלומה שלא נמסרה. הפיזיקה הקלאסית לא יכלה להסביר את הכיוון והרוויה של איגרות החוב. לאחר יצירת המידע התיאורטי הבסיסי על הקשר הכימי (1927) בדוגמה של המולקולה H2 הפשוטה ביותר, התיאוריה ושיטות החישוב החלו להשתפר בהדרגה. לדוגמה, בהתבסס על היישום הרחב של שיטת האורביטלים המולקולריים, הכימיה הקוונטית, ניתן היה לחשב מרחקים בין-אטומיים, את האנרגיה של מולקולות וקשרים כימיים, את התפלגות צפיפות האלקטרונים ונתונים אחרים שהתאימו לחלוטין עם הניסויים.

חומרים עם הרכב זהה, אבל מבנה כימי שונה ותכונות שונות, נקראים איזומרים מבניים. יש להם נוסחאות מבניות שונות, אבל הם אותו מולקולרית.

סוגים שונים של איזומריזם מבניים ידועים. ההבדלים הם במבנה של שלד פחמן, את המיקום של הקבוצה תפקודית או את המיקום של הקשר מרובים. בנוסף, ישנם עדיין איזומרים מרחביים בהם המאפיינים של מולקולת החומר מאופיינים על ידי הרכב זהה ומבנה כימי. לכן, יש להם את אותן נוסחאות מבניות ומולקולריות. ההבדלים הם בצורה המרחבית של המולקולה. נוסחאות מיוחדות משמשות לייצוג איזומרים מרחביים שונים.

יש תרכובות הנקראות הומולוגים. הם דומים במבנה ובמאפיינים, אך נבדלים בהרכב של קבוצת CH2 אחת או יותר. כל החומרים הדומים במבנה ובמאפיינים מאוחדים בסדרה הומולוגית. לאחר שבחנו את התכונות של הומולוג אחד, אפשר לדבר על כל אחד מהם. מערכת ההומולוגים היא סדרת הומולוגיה.

בהפיכת מבנים כימיים, כימייםאת המאפיינים של מולקולות לשנות באופן דרסטי. דוגמה לכך היא גם התרכובות הפשוטות ביותר: מתאן, המחובר אפילו עם אטום חמצן אחד, הופך לנוזל רעיל שנקרא מתנול (אלכוהול מתיל - CH3OH). לפיכך, ההשלמה הכימית שלו ופעולה על אורגניזמים חיים הופכים שונים. שינויים דומים, אך מורכבים יותר מתרחשים כאשר מבנים של ביומולקולות משתנים.

תכונות כימיות מולקולריות מאוד תלוייםממבנה ותכונות המולקולות: מאגבי האנרגיה שבתוכו ומהגיאומטריה של המולקולה עצמה. במיוחד זה עובד תרכובות ביולוגיות פעיל. תגובת המתחרים תגבר לעתים קרובות רק על ידי גורמים מרחביים, אשר בתורם תלויים במולקולות המקוריות (התצורות שלהם). מולקולה אחת בעלת תצורה "לא נוחה" לא תגיב כלל, והמולקולה האחרת, עם ההרכב הכימי זהה, אבל גיאומטריה שונה, יכולה להגיב באופן מיידי.

מספר גדול של תהליכים ביולוגיים,שנצפתה במהלך הצמיחה ואת הרבייה, קשורה היחסים הגיאומטרי בין מוצרי התגובה והחומרים המוצא. לקבלת מידע: הפעולה של מספר ניכר של תרופות חדשות מבוססת על מבנה דומה של המולקולות של כל תרכובת כי הוא מזיק מבחינה ביולוגית לגוף האדם. התרופה לוקחת את מקומה של מולקולה מזיקה ומקשה עליה.

באמצעות נוסחאות כימיות להביע את הרכב ותכונות של מולקולות של חומרים שונים. בהתבסס על המשקל המולקולרי, הניתוח הכימי, נקבע היחס האטומי ונוצרת נוסחה אמפירית.

גיאומטריה

קביעת המבנה הגיאומטרי של מולקולהמתבצע תוך התחשבות בהסדר שיווי המשקל של הגרעין האטומי. אנרגיית האינטראקציה של האטומים תלויה במרחק שבין גרעיני האטומים. במרחקים גדולים מאוד אנרגיה זו היא אפס. כאשר האטומים מתכנסים, הקשר הכימי מתחיל להיווצר. אז האטומים נמשכים מאוד זה לזה.

אם יש משיכה חלשה, אם כךהיווצרות של קשר כימי אינו הכרחי. אם האטומים מתחילים להתקרב למרחקים קרובים יותר, כוחות דחייה אלקטרוסטטיים מתחילים לפעול בין הגרעינים. מכשול להתכנסות חזקה של אטומים הוא חוסר תאימות של פגזי האלקטרונים הפנימיים שלהם.

ממדים

בעין בלתי מזוינת, אי אפשר לראות מולקולות. הם כל כך קטנים, כי אפילו מיקרוסקופ עם הגדלה 1000x לא יעזור לנו להבחין בהם. ביולוגים צופים בחיידקים של 0.001 מ"מ. אבל המולקולות קטנות פי מאות ואלפי פעמים מהן.

היום המבנה של מולקולות של חומר מסויםנקבעים על ידי שיטות עקיפה: דיפרקציה של נויטרונים, ניתוח קרני רנטגן. יש גם ספקטרוסקופיה vibrational ושיטה אלקטרומגנטית אלקטרונים. בחירת השיטה תלויה בסוג החומר ובמצבו.

גודל המולקולה הוא ערך מותנה אםלקחת בחשבון את הקליפה האלקטרונית. הנקודה היא במרחקים של אלקטרונים מ גרעינים אטומיים. ככל שהם גדולים יותר, ההסתברות למצוא את האלקטרונים של מולקולה קטנה יותר. בפועל, את גודל המולקולות ניתן לקבוע על ידי לקיחה בחשבון את שיווי המשקל המרחק. זהו המרווח שבו המולקולות עצמן יכולות להתקרב באריזות צפופות בגביש מולקולרי ובנוזל.

למרחקים ארוכים יש את המולקולותמשיכה, קטנה, להיפך, לדחייה. לכן, ניתוח קרני רנטגן של גבישים מולקולריים עוזר למצוא את גודל המולקולה. באמצעות מקדם דיפוזיה, מוליכות תרמית וצמיגות של גזים, כמו גם את צפיפות החומר במצב מרוכז, ניתן לקבוע את סדר גודל הממדים המולקולריים.