Minden test, ami körülvesz minket, atomokból áll. Az atomok pedig molekulává állnak össze. A molekulaszerkezet különbségéből fakad, hogy tulajdonságaik és paramétereik alapján egymástól eltérő anyagokról lehet beszélni. A molekulák és az atomok mindig dinamikus állapotban vannak. Mozgás közben továbbra sem szóródnak szét különböző irányokba, hanem egy bizonyos struktúrában tartják őket, amit annak köszönhetünk, hogy a minket körülvevő világban ilyen sokféle anyag létezik. Mik ezek a részecskék és mik a tulajdonságaik?
Általános fogalmak
Ha a kvantummechanika elméletéből indulunk ki, akkor a molekula nem atomokból áll, hanem azok atommagjaiból és elektronjaiból, amelyek folyamatosan kölcsönhatásba lépnek egymással.
Egyes anyagok esetében a molekula a legkisebb részecske, amely magának az anyagnak az összetételével és kémiai tulajdonságaival rendelkezik. Tehát a molekulák tulajdonságait kémiai szempontból a kémiai szerkezete és afogalmazás. De csak a molekulaszerkezetű anyagoknál működik a szabály: az anyagok és molekulák kémiai tulajdonságai megegyeznek. Egyes polimerek, például az etilén és a polietilén összetétele nem egyezik a molekulaösszetétellel.
Ismert, hogy a molekulák tulajdonságait nem csak az atomok száma, típusa határozza meg, hanem a konfiguráció, a kapcsolódási sorrend is. A molekula egy összetett építészeti struktúra, ahol minden elem a helyén áll, és megvannak a sajátos szomszédai. Az atomszerkezet többé-kevésbé merev lehet. Mindegyik atom az egyensúlyi helyzete körül rezeg.
Konfiguráció és paraméterek
Előfordul, hogy a molekula egyes részei forognak más részekhez képest. Tehát a termikus mozgás során egy szabad molekula bizarr alakokat (konfigurációkat) vesz fel.
A molekulák tulajdonságait alapvetően az atomok közötti kötés (annak típusa) és magának a molekulának a felépítése (szerkezete, alakja) határozza meg. Így mindenekelőtt az általános kémiai elmélet a kémiai kötéseket veszi figyelembe, és az atomok tulajdonságain alapul.
Erős polaritás mellett a molekulák tulajdonságai nehezen írhatók le két- vagy háromkonstans korrelációkkal, amelyek kiválóan alkalmasak a nem poláris molekulákra. Ezért egy további paramétert vezettek be dipólusmomentummal. De ez a módszer nem mindig sikeres, mivel a poláris molekulák egyéni jellemzőkkel rendelkeznek. Olyan paramétereket is javasoltak, amelyek figyelembe veszik a kvantumhatásokat, amelyek fontosak alacsony hőmérsékleten.
Mit tudunk a Föld leggyakoribb anyagának molekulájáról?
Bolygónk összes anyaga közül a víz a leggyakoribb. A szó szoros értelmében életet biztosít mindennek, ami a Földön létezik. Csak a vírusok nélkülözhetik, összetételükben a többi élő struktúra túlnyomórészt vizet tartalmaz. A vízmolekulának milyen, csak rá jellemző tulajdonságai hasznosulnak az ember gazdasági életében és a Föld élővilágában?
Végül is ez egy igazán egyedi anyag! Egyetlen más anyag sem büszkélkedhet a vízben rejlő tulajdonságokkal.
A víz a természet fő oldószere. Az élő szervezetekben fellépő összes reakció, így vagy úgy, a vízi környezetben megy végbe. Vagyis az anyagok oldott állapotban lépnek reakcióba.
A víz kiváló hőkapacitású, de alacsony hővezető képességgel rendelkezik. Ezen tulajdonságainak köszönhetően hőszállítóként is használhatjuk. Ez az elv számos organizmus hűtési mechanizmusában szerepel. Az atomenergia-iparban a vízmolekula tulajdonságai miatt ezt az anyagot hűtőközegként használták. Amellett, hogy más anyagok reakcióképes közege lehet, a víz maga is reakcióba léphet: fotolízis, hidratáció és egyebek.
A természetes tiszta víz szagtalan, színtelen és íztelen folyadék. De 2 méternél nagyobb rétegvastagságnál a szín kékes lesz.
Az egész vízmolekula egy dipólus (két ellentétes pólus). Ez a dipólus szerkezetefőként ennek az anyagnak a szokatlan tulajdonságait határozza meg. A vízmolekula egy diamágnes.
A fémvíznek van még egy érdekes tulajdonsága: molekulája felveszi az aranymetszés szerkezetét, az anyag szerkezete pedig az aranymetszet arányait. A vízmolekula számos tulajdonságát a gázfázisban lévő csíkos spektrumok abszorpciójának és emissziójának elemzésével állapították meg.
Tudomány és molekuláris tulajdonságok
A kémiai anyagok kivételével minden anyag rendelkezik a szerkezetét alkotó molekulák fizikai tulajdonságaival.
A fizikai tudományban a molekulák fogalmát a szilárd anyagok, folyadékok és gázok tulajdonságainak magyarázatára használják. Minden anyag diffúziós képességét, viszkozitását, hővezető képességét és egyéb tulajdonságait a molekulák mobilitása határozza meg. Amikor Jean Perrin francia fizikus a Brown-mozgást tanulmányozta, kísérletileg bebizonyította a molekulák létezését. Minden élő szervezet létezik a szerkezet finoman kiegyensúlyozott belső kölcsönhatása miatt. Az anyagok minden kémiai és fizikai tulajdonsága alapvető fontosságú a természettudomány számára. A fizika, a kémia, a biológia és a molekuláris fizika fejlődése olyan tudományt hozott létre, mint a molekuláris biológia, amely az élet alapvető jelenségeit vizsgálja.
A statisztikus termodinamika felhasználásával a molekulák molekulaspektroszkópiával meghatározott fizikai tulajdonságai a fizikai kémiában meghatározzák az anyagok termodinamikai tulajdonságait, amelyek szükségesek a kémiai egyensúly kiszámításához és a kialakulás sebességéhez.
Mi a különbség az atomok és molekulák tulajdonságai között?
Először is, az atomok nem fordulnak elő szabad állapotban.
A molekulák optikai spektruma gazdagabb. Ennek oka a rendszer alacsonyabb szimmetriája, valamint az atommagok új forgásának és rezgésének lehetőségének a megjelenése. Egy molekula esetében a teljes energia három energiából áll, amelyek az összetevők nagyságrendje szerint különböznek egymástól:
- elektronikus héj (optikai vagy ultraibolya sugárzás);
- magok rezgései (a spektrum infravörös része);
- a molekula egészének forgatása (rádiófrekvencia-tartomány).
Az atomok jellegzetes vonalspektrumokat bocsátanak ki, míg a molekulák csíkos spektrumokat bocsátanak ki, amelyek sok egymáshoz közeli vonalból állnak.
Spektrális elemzés
A molekulák optikai, elektromos, mágneses és egyéb tulajdonságait a hullámfüggvényekkel való kapcsolat is meghatározza. A molekulák állapotára és a köztük lévő valószínű átmenetre vonatkozó adatok molekulaspektrumot mutatnak.
A molekulákban lévő (elektronikus) átmenetek kémiai kötéseket és elektronhéjaik szerkezetét mutatják. A több kapcsolattal rendelkező spektrumok hosszú hullámhosszú abszorpciós sávokkal rendelkeznek, amelyek a látható tartományba esnek. Ha egy anyag ilyen molekulákból épül fel, akkor jellegzetes színe van. Ezek mind szerves festékek.
Ugyanazon anyag molekuláinak tulajdonságai az aggregáció minden állapotában azonosak. Ez azt jelenti, hogy ugyanazon anyagokban a folyékony, gáznemű anyagok molekuláinak tulajdonságai nem térnek el a szilárd anyagok tulajdonságaitól. Egy anyag molekulájának mindig ugyanaz a szerkezete, függetlenül attólmaga az anyag halmazállapota.
Elektromos adatok
Az anyag elektromos térben való viselkedését a molekulák elektromos jellemzői határozzák meg: a polarizálhatóság és a permanens dipólusmomentum.
A dipólusmomentum egy molekula elektromos aszimmetriája. Azoknak a molekuláknak, amelyeknek szimmetriaközéppontja van, mint például a H2, nincs állandó dipólusmomentumuk. A molekula elektronhéjának azon képessége, hogy elektromos tér hatására mozogjon, aminek következtében benne indukált dipólusmomentum képződik, a polarizálhatóság. A polarizálhatóság és a dipólusmomentum értékének meghatározásához meg kell mérni a permittivitást.
A fényhullámok viselkedését váltakozó elektromos térben az anyag optikai tulajdonságai jellemzik, amelyeket az anyag molekulájának polarizálhatósága határoz meg. A polarizálhatósághoz közvetlenül kapcsolódnak: szórás, fénytörés, optikai aktivitás és a molekulaoptika egyéb jelenségei.
Gyakran hallani a kérdést: "Mitől függenek a molekulákon kívül egy anyag tulajdonságai?" A válasz nagyon egyszerű.
Az anyagok tulajdonságait, kivéve az izometriát és a kristályszerkezetet, a környezet hőmérséklete, maga az anyag, a nyomás, a szennyeződések jelenléte határozza meg.
Molekulák kémiája
A kvantummechanika tudományának kialakulása előtt a molekulákban lévő kémiai kötések természete megfejtetlen rejtély volt. A klasszikus fizika magyarázza az irányultságot ésa vegyértékkötések telítettsége nem lehetséges. A kémiai kötésről szóló elméleti alapinformációk megalkotása (1927) után, a legegyszerűbb H2-molekula példáján, az elmélet és a számítási módszerek fokozatosan fejlődni kezdtek. Például a molekuláris pályák módszerének, a kvantumkémiának elterjedt alkalmazása alapján lehetővé vált az atomközi távolságok, a molekulák és a kémiai kötések energiájának, az elektronsűrűség eloszlásának és egyéb olyan adatok kiszámítása, amelyek teljesen egybeestek a kísérleti adatokkal.
Az azonos összetételű, de eltérő kémiai szerkezetű és eltérő tulajdonságú anyagokat szerkezeti izomereknek nevezzük. Különböző szerkezeti képleteik vannak, de ugyanazok a molekulaképleteik.
A szerkezeti izoméria különböző típusai ismertek. A különbségek a szénváz szerkezetében, a funkciós csoport helyzetében vagy a többszörös kötés helyzetében rejlenek. Emellett még mindig vannak olyan térbeli izomerek, amelyekben egy anyagmolekula tulajdonságait azonos összetétel és kémiai szerkezet jellemzi. Ezért mind a szerkezeti, mind a molekuláris képletek azonosak. A különbségek a molekula térbeli alakjában rejlenek. Speciális képleteket használnak a különböző térbeli izomerek ábrázolására.
Vannak vegyületek, amelyeket homológoknak neveznek. Szerkezetükben és tulajdonságaiban hasonlóak, de összetételükben egy vagy több CH2 csoport különbözik. Minden hasonló szerkezetű és tulajdonságú anyagot homológ sorozatokba vonnak össze. Egy homológ tulajdonságainak tanulmányozása után bármelyik másik homológról is okoskodhatunk. A homológok halmaza egy homológ sorozat.
Az anyag szerkezeteinek átalakításakora molekulák kémiai tulajdonságai drámaian megváltoznak. Még a legegyszerűbb vegyületek is példaként szolgálnak: a metán egyetlen oxigénatommal kombinálva mérgező folyadékká válik, amelyet metanolnak neveznek (metil-alkohol - CH3OH). Ennek megfelelően kémiai komplementaritása és az élő szervezetekre gyakorolt hatása is eltérővé válik. Hasonló, de bonyolultabb változások következnek be a biomolekulák szerkezetének módosításakor.
A kémiai molekuláris tulajdonságok erősen függnek a molekulák szerkezetétől és tulajdonságaitól: a bennük lévő energiakötésektől és magának a molekulának a geometriájától. Ez különösen igaz a biológiailag aktív vegyületekre. Azt, hogy melyik versengő reakció lesz az uralkodó, gyakran csak a térbeli tényezők határozzák meg, amelyek viszont a kiindulási molekuláktól (konfigurációjuktól) függenek. Az egyik "kényelmetlen" konfigurációjú molekula egyáltalán nem reagál, míg egy másik ugyanolyan kémiai összetételű, de eltérő geometriájú azonnal reagálhat.
A növekedés és szaporodás során megfigyelt számos biológiai folyamat a reakciótermékek és a kiindulási anyagok közötti geometriai összefüggésekhez kapcsolódik. Tájékoztatásul: jelentős számú új gyógyszer hatása egy olyan vegyület hasonló molekulaszerkezetén alapul, amely biológiai szempontból káros az emberi szervezetre. A gyógyszer átveszi a káros molekula helyét, és megnehezíti a hatást.
A kémiai képletek segítségével a különböző anyagok molekuláinak összetételét és tulajdonságait fejezzük ki. A molekulatömeg, a kémiai elemzés alapján megállapítják és összeállítják az atomaránytempirikus képlet.
Geometria
A molekula geometriai szerkezetének meghatározása az atommagok egyensúlyi elrendezésének figyelembevételével történik. Az atomok kölcsönhatási energiája az atommagok közötti távolságtól függ. Nagyon nagy távolságokon ez az energia nulla. Ahogy az atomok közelednek egymáshoz, kémiai kötés kezd kialakulni. Ekkor az atomok erősen vonzódnak egymáshoz.
Ha gyenge a vonzás, akkor nem szükséges kémiai kötés kialakítása. Ha az atomok közelebbről kezdenek közeledni, elektrosztatikus taszító erők kezdenek hatni az atommagok között. Az atomok erős konvergenciájának akadálya belső elektronhéjaik összeférhetetlensége.
Méretek
Lehetetlen szabad szemmel látni a molekulákat. Olyan kicsik, hogy még egy 1000-szeres nagyítású mikroszkóp sem segít meglátni őket. A biológusok 0,001 mm-es baktériumokat figyelnek meg. De a molekulák százszor és ezerszer kisebbek.
Ma egy bizonyos anyag molekuláinak szerkezetét diffrakciós módszerekkel határozzák meg: neutrondiffrakció, röntgendiffrakciós elemzés. Létezik rezgésspektroszkópia és elektronparamágneses módszer is. A módszer kiválasztása az anyag típusától és állapotától függ.
A molekula mérete feltételes érték, figyelembe véve az elektronhéjat. A lényeg az elektronok távolsága az atommagoktól. Minél nagyobbak, annál kevésbé valószínű, hogy megtalálják a molekula elektronjait. A gyakorlatban a molekulák mérete az egyensúlyi távolság figyelembevételével határozható meg. Ez az az intervallum, ameddig maguk a molekulák megközelíthetik egymást, ha sűrűn vannak egy molekulakristályban és egy folyadékban.
A nagy távolságokra vonzzák a molekulákat, a kicsiknél pedig éppen ellenkezőleg, taszítanak. Ezért a molekulakristályok röntgendiffrakciós elemzése segít a molekula méreteinek megtalálásában. A gázok diffúziós együtthatója, hővezető képessége és viszkozitása, valamint a kondenzált állapotban lévő anyag sűrűsége segítségével meghatározható a molekulaméretek nagyságrendje.
