Մեզ շրջապատող բոլոր մարմինները կազմված են ատոմներից: Ատոմներն իրենց հերթին հավաքվում են մոլեկուլի մեջ։ Մոլեկուլային կառուցվածքի տարբերության շնորհիվ է, որ կարելի է խոսել միմյանցից տարբեր նյութերի մասին՝ ելնելով դրանց հատկություններից և պարամետրերից։ Մոլեկուլները և ատոմները միշտ գտնվում են դինամիկայի վիճակում։ Շարժվելով նրանք դեռևս չեն ցրվում տարբեր ուղղություններով, այլ պահվում են որոշակի կառուցվածքում, ինչին մենք պարտական ենք մեզ շրջապատող ամբողջ աշխարհում նյութերի նման հսկայական բազմազանության գոյությանը։ Որո՞նք են այս մասնիկները և ի՞նչ հատկություններ ունեն:
Ընդհանուր հասկացություններ
Եթե ելնենք քվանտային մեխանիկայի տեսությունից, ապա մոլեկուլը բաղկացած է ոչ թե ատոմներից, այլ դրանց միջուկներից և էլեկտրոններից, որոնք անընդհատ փոխազդում են միմյանց հետ։
Որոշ նյութերի համար մոլեկուլը ամենափոքր մասնիկն է, որն ունի բուն նյութի բաղադրությունը և քիմիական հատկությունները: Այսպիսով, մոլեկուլների հատկությունները քիմիայի տեսանկյունից որոշվում են նրա քիմիական կառուցվածքով ևկազմը։ Բայց միայն մոլեկուլային կառուցվածք ունեցող նյութերի դեպքում գործում է կանոնը՝ նյութերի և մոլեկուլների քիմիական հատկությունները նույնն են։ Որոշ պոլիմերների համար, ինչպիսիք են էթիլենը և պոլիէթիլենը, բաղադրությունը չի համապատասխանում մոլեկուլային կազմին:
Հայտնի է, որ մոլեկուլների հատկությունները որոշվում են ոչ միայն ատոմների քանակով, նրանց տեսակով, այլ նաև կոնֆիգուրացիայով, միացման կարգով։ Մոլեկուլը բարդ ճարտարապետական կառույց է, որտեղ յուրաքանչյուր տարր կանգնած է իր տեղում և ունի իր հատուկ հարևանները: Ատոմային կառուցվածքը կարող է քիչ թե շատ կոշտ լինել։ Յուրաքանչյուր ատոմ թրթռում է իր հավասարակշռության դիրքի շուրջ։
Կազմաձևում և պարամետրեր
Պատահում է, որ մոլեկուլի որոշ մասեր պտտվում են այլ մասերի նկատմամբ։ Այսպիսով, ջերմային շարժման գործընթացում ազատ մոլեկուլը ստանում է տարօրինակ ձևեր (կոնֆիգուրացիաներ):
Հիմնականում մոլեկուլների հատկությունները որոշվում են ատոմների միջև կապով (դրա տեսակով) և բուն մոլեկուլի ճարտարապետությունը (կառուցվածքը, ձևը): Այսպիսով, առաջին հերթին ընդհանուր քիմիական տեսությունը դիտարկում է քիմիական կապերը և հիմնված է ատոմների հատկությունների վրա։
Ուժեղ բևեռականությամբ մոլեկուլների հատկությունները դժվար է նկարագրել երկու կամ երեք հաստատուն հարաբերակցություններով, որոնք հիանալի են ոչ բևեռային մոլեկուլների համար: Հետևաբար, ներդրվել է դիպոլային մոմենտով լրացուցիչ պարամետր: Բայց այս մեթոդը միշտ չէ, որ հաջողակ է, քանի որ բևեռային մոլեկուլներն ունեն անհատական առանձնահատկություններ: Պարամետրերը նաև առաջարկվել են հաշվի առնել քվանտային էֆեկտները, որոնք կարևոր են ցածր ջերմաստիճաններում:
Ի՞նչ գիտենք Երկրի վրա ամենատարածված նյութի մոլեկուլի մասին:
Մեր մոլորակի բոլոր նյութերից ամենատարածվածը ջուրն է: Այն, ուղիղ իմաստով, կյանք է ապահովում այն ամենի համար, ինչ գոյություն ունի Երկրի վրա: Առանց դրա կարող են միայն վիրուսները, մնացած կենդանի կառույցներն իրենց կազմի մեջ մեծ մասամբ ջուր ունեն։ Միայն նրան բնորոշ ջրի մոլեկուլի ո՞ր հատկություններն են օգտագործվում մարդու տնտեսական կյանքում և Երկրի վայրի բնության մեջ:
Ի վերջո, սա իսկապես յուրահատուկ նյութ է: Ոչ մի այլ նյութ չի կարող պարծենալ ջրին բնորոշ մի շարք հատկություններով:
Ջուրը բնության հիմնական լուծիչն է: Կենդանի օրգանիզմներում տեղի ունեցող բոլոր ռեակցիաները, այսպես թե այնպես, տեղի են ունենում ջրային միջավայրում։ Այսինքն՝ նյութերը լուծարված վիճակում մտնում են ռեակցիաների մեջ։
Ջուրն ունի գերազանց ջերմունակություն, բայց ցածր ջերմահաղորդականություն: Այս հատկությունների շնորհիվ մենք կարող ենք օգտագործել այն որպես ջերմափոխադրող: Այս սկզբունքը ներառված է մեծ թվով օրգանիզմների սառեցման մեխանիզմում։ Ատոմային էներգիայի արդյունաբերության մեջ ջրի մոլեկուլի հատկությունները հիմք են տվել օգտագործել այս նյութը որպես հովացուցիչ նյութ: Ի լրումն այլ նյութերի համար ռեակտիվ միջավայր լինելու հնարավորության, ջուրն ինքնին կարող է մտնել ռեակցիաների մեջ՝ ֆոտոլիզ, խոնավացում և այլն:
Բնական մաքուր ջուրը անհոտ, անգույն և անհամ հեղուկ է։ Բայց 2 մետրից ավելի շերտի հաստության դեպքում գույնը դառնում է կապտավուն:
Ամբողջ ջրի մոլեկուլը դիպոլ է (երկու հակադիր բևեռ): Դա դիպոլային կառուցվածքն էհիմնականում որոշում է այս նյութի անսովոր հատկությունները: Ջրի մոլեկուլը դիամագնիս է։
Մետաղական ջուրն ունի ևս մեկ հետաքրքիր հատկություն՝ նրա մոլեկուլը ձեռք է բերում ոսկե հարաբերակցության կառուցվածք, իսկ նյութի կառուցվածքը՝ ոսկե հատվածի համամասնությունները։ Ջրի մոլեկուլի շատ հատկություններ հաստատվել են գազային փուլում գծավոր սպեկտրների կլանման և արտանետումների վերլուծության միջոցով:
Գիտություն և մոլեկուլային հատկություններ
Բոլոր նյութերը, բացի քիմիական նյութերից, ունեն իրենց կառուցվածքը կազմող մոլեկուլների ֆիզիկական հատկությունները:
Ֆիզիկական գիտության մեջ մոլեկուլներ հասկացությունն օգտագործվում է պինդ մարմինների, հեղուկների և գազերի հատկությունները բացատրելու համար: Բոլոր նյութերի ցրվելու ունակությունը, դրանց մածուցիկությունը, ջերմահաղորդականությունը և այլ հատկությունները որոշվում են մոլեկուլների շարժունակությամբ։ Երբ ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ժան Պերինը ուսումնասիրում էր Բրոունյան շարժումը, նա փորձարարական կերպով ապացուցեց մոլեկուլների գոյությունը։ Բոլոր կենդանի օրգանիզմները գոյություն ունեն կառուցվածքում նուրբ հավասարակշռված ներքին փոխազդեցության շնորհիվ: Նյութերի բոլոր քիմիական և ֆիզիկական հատկությունները հիմնարար նշանակություն ունեն բնական գիտության համար: Ֆիզիկայի, քիմիայի, կենսաբանության և մոլեկուլային ֆիզիկայի զարգացումը առաջացրել է այնպիսի գիտություն, ինչպիսին է մոլեկուլային կենսաբանությունը, որն ուսումնասիրում է կյանքի հիմնական երևույթները։
Օգտագործելով վիճակագրական թերմոդինամիկա՝ մոլեկուլների ֆիզիկական հատկությունները, որոնք որոշվում են մոլեկուլային սպեկտրոսկոպիայի միջոցով, ֆիզիկական քիմիայում որոշում են նյութերի թերմոդինամիկական հատկությունները, որոնք անհրաժեշտ են քիմիական հավասարակշռությունը հաշվարկելու համար և դրա հաստատման արագությունը։
Ի՞նչ տարբերություն կա ատոմների և մոլեկուլների հատկությունների միջև:
Նախ, ատոմները ազատ վիճակում չեն լինում:
Մոլեկուլներն ունեն ավելի հարուստ օպտիկական սպեկտրներ: Դա պայմանավորված է համակարգի ավելի ցածր համաչափությամբ և միջուկների նոր պտույտների և տատանումների հնարավորության առաջացմամբ։ Մոլեկուլի համար ընդհանուր էներգիան բաղկացած է երեք էներգիաներից, որոնք տարբեր են բաղադրիչների մեծության կարգով.
- էլեկտրոնային կեղև (օպտիկական կամ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթում);
- միջուկների թրթռումներ (սպեկտրի ինֆրակարմիր մաս);
- մոլեկուլի պտույտը որպես ամբողջություն (ռադիոհաճախականության տիրույթ):
Ատոմներն արտանետում են բնորոշ գծային սպեկտրներ, մինչդեռ մոլեկուլներն արտանետում են գծավոր սպեկտրներ, որոնք բաղկացած են շատ սերտորեն բաժանված գծերից:
Սպեկտրային վերլուծություն
Մոլեկուլի օպտիկական, էլեկտրական, մագնիսական և այլ հատկությունները որոշվում են նաև ալիքային ֆունկցիաների հետ կապով։ Մոլեկուլների վիճակների և դրանց միջև հավանական անցման մասին տվյալները ցույց են տալիս մոլեկուլային սպեկտրները։
Մոլեկուլներում անցումները (էլեկտրոնային) ցույց են տալիս քիմիական կապերը և դրանց էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքը: Ավելի շատ միացումներ ունեցող սպեկտրներն ունեն երկար ալիքի կլանման գոտիներ, որոնք ընկնում են տեսանելի շրջան: Եթե նյութը կառուցված է նման մոլեկուլներից, ապա այն ունի բնորոշ գույն։ Սրանք բոլորը օրգանական ներկեր են։
Նույն նյութի մոլեկուլների հատկությունները նույնն են ագրեգացման բոլոր վիճակներում: Սա նշանակում է, որ նույն նյութերում հեղուկ, գազային նյութերի մոլեկուլների հատկությունները չեն տարբերվում պինդ նյութերի հատկություններից։ Մեկ նյութի մոլեկուլը միշտ ունի նույն կառուցվածքը՝ անկախ նրանիցբուն նյութի համախառն վիճակը։
Էլեկտրական տվյալներ
Նյութի վարքագիծը էլեկտրական դաշտում որոշվում է մոլեկուլների էլեկտրական բնութագրերով՝ բևեռացման և մշտական դիպոլային մոմենտով:
Դիպոլի մոմենտը մոլեկուլի էլեկտրական անհամաչափությունն է։ Այն մոլեկուլները, որոնք ունեն H2 նման համաչափության կենտրոն, չունեն մշտական դիպոլային մոմենտ: Մոլեկուլի էլեկտրոնային թաղանթի՝ էլեկտրական դաշտի ազդեցությամբ շարժվելու ունակությունը, որի արդյունքում դրանում առաջանում է ինդուկտիվ դիպոլային մոմենտ, բևեռացում է։ Բևեռացման և դիպոլային մոմենտի արժեքը գտնելու համար անհրաժեշտ է չափել թույլատրելիությունը:
Լույսի ալիքի վարքագիծը փոփոխական էլեկտրական դաշտում բնութագրվում է նյութի օպտիկական հատկություններով, որոնք որոշվում են այս նյութի մոլեկուլի բևեռացմամբ։ Բևեռացման հետ անմիջականորեն կապված են ցրումը, բեկումը, օպտիկական ակտիվությունը և մոլեկուլային օպտիկայի այլ երևույթներ։
Հաճախ կարելի է լսել հարց. «Ինչի՞ց են կախված, բացի մոլեկուլներից, նյութի հատկությունները»: Պատասխանը բավականին պարզ է։
Նյութերի հատկությունները, բացառությամբ իզոմետրիայի և բյուրեղային կառուցվածքի, որոշվում են շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանով, բուն նյութով, ճնշումով, կեղտերի առկայությամբ:
Մոլեկուլների քիմիա
Մինչ քվանտային մեխանիկայի գիտության ձևավորումը մոլեկուլներում քիմիական կապերի բնույթը չբացահայտված առեղծված էր: Դասական ֆիզիկան բացատրում է ուղղորդվածությունը ևվալենտային կապերի հագեցվածությունը չէր կարող: Ամենապարզ H2 մոլեկուլի օրինակով քիմիական կապի մասին հիմնական տեսական տեղեկատվության ստեղծումից հետո (1927), տեսությունը և հաշվարկման մեթոդները սկսեցին աստիճանաբար կատարելագործվել։ Օրինակ՝ հիմնվելով մոլեկուլային օրբիտալների մեթոդի, քվանտային քիմիայի լայն կիրառման վրա, հնարավոր դարձավ հաշվարկել միջատոմային հեռավորությունները, մոլեկուլների և քիմիական կապերի էներգիան, էլեկտրոնների խտության բաշխումը և այլ տվյալներ, որոնք լիովին համընկնում էին փորձարարական տվյալների հետ։
Նյութերը միևնույն բաղադրությամբ, բայց տարբեր քիմիական կառուցվածքով և տարբեր հատկություններով կոչվում են կառուցվածքային իզոմերներ: Նրանք ունեն տարբեր կառուցվածքային բանաձևեր, բայց նույն մոլեկուլային բանաձևերը:
Հայտնի են կառուցվածքային իզոմերիզմի տարբեր տեսակներ։ Տարբերությունները կայանում են ածխածնային կմախքի կառուցվածքում, ֆունկցիոնալ խմբի դիրքում կամ բազմակի կապի դիրքում։ Բացի այդ, դեռևս կան տարածական իզոմերներ, որոնցում նյութի մոլեկուլի հատկությունները բնութագրվում են նույն կազմով և քիմիական կառուցվածքով։ Հետևաբար, և՛ կառուցվածքային, և՛ մոլեկուլային բանաձևերը նույնն են: Տարբերությունները կայանում են մոլեկուլի տարածական ձևի մեջ: Տարբեր տարածական իզոմերներ ներկայացնելու համար օգտագործվում են հատուկ բանաձևեր։
Կան միացություններ, որոնք կոչվում են հոմոլոգներ: Նրանք կառուցվածքով և հատկություններով նման են, բայց կազմով տարբերվում են մեկ կամ մի քանի CH2 խմբերով։ Կառուցվածքով և հատկություններով նման բոլոր նյութերը միավորվում են հոմոլոգ շարքերում: Ուսումնասիրելով մեկ հոմոլոգի հատկությունները, կարելի է պատճառաբանել դրանցից որևէ մեկի մասին: Հոմոլոգների բազմությունը հոմոլոգ շարք է։
Նյութի կառուցվածքները փոխակերպելիսմոլեկուլների քիմիական հատկությունները կտրուկ փոխվում են: Օրինակ են ծառայում անգամ ամենապարզ միացությունները՝ մեթանը, երբ միանում է թթվածնի թեկուզ մեկ ատոմի հետ, դառնում է թունավոր հեղուկ՝ մեթանոլ (մեթիլ սպիրտ՝ CH3OH): Ըստ այդմ, նրա քիմիական փոխլրացումն ու ազդեցությունը կենդանի օրգանիզմների վրա դառնում են տարբեր։ Նմանատիպ, բայց ավելի բարդ փոփոխություններ են տեղի ունենում կենսամոլեկուլների կառուցվածքները փոփոխելիս:
Քիմիական մոլեկուլային հատկությունները մեծապես կախված են մոլեկուլների կառուցվածքից և հատկություններից՝ դրանում առկա էներգետիկ կապերից և բուն մոլեկուլի երկրաչափությունից: Սա հատկապես ճիշտ է կենսաբանական ակտիվ միացությունների դեպքում: Թե որ մրցակցային ռեակցիան կլինի գերակշռող, հաճախ որոշվում է միայն տարածական գործոններով, որոնք իրենց հերթին կախված են սկզբնական մոլեկուլներից (դրանց կոնֆիգուրացիայից): «Անհարմար» կոնֆիգուրացիայով մի մոլեկուլ ընդհանրապես չի արձագանքի, մինչդեռ նույն քիմիական բաղադրությամբ, բայց տարբեր երկրաչափությամբ մյուսը կարող է անմիջապես արձագանքել:
Մեծ թվով կենսաբանական գործընթացներ, որոնք դիտվում են աճի և վերարտադրության ընթացքում, կապված են ռեակցիայի արտադրանքի և սկզբնական նյութերի երկրաչափական հարաբերությունների հետ: Ի գիտություն՝ զգալի թվով նոր դեղամիջոցների գործողությունը հիմնված է միացության նմանատիպ մոլեկուլային կառուցվածքի վրա, որը կենսաբանական տեսանկյունից վնասակար է մարդու օրգանիզմի համար: Դեղը զբաղեցնում է վնասակար մոլեկուլի տեղը և դժվարացնում է գործունեությունը։
Քիմիական բանաձեւերի օգնությամբ արտահայտվում են տարբեր նյութերի մոլեկուլների բաղադրությունն ու հատկությունները։ Մոլեկուլային քաշի, քիմիական անալիզի հիման վրա սահմանվում և կազմվում է ատոմային հարաբերակցությունըէմպիրիկ բանաձեւ.
երկրաչափություն
Մոլեկուլի երկրաչափական կառուցվածքի որոշումը կատարվում է հաշվի առնելով ատոմային միջուկների հավասարակշռված դասավորությունը։ Ատոմների փոխազդեցության էներգիան կախված է ատոմների միջուկների միջև եղած հեռավորությունից։ Շատ մեծ հեռավորությունների վրա այս էներգիան զրո է: Երբ ատոմները մոտենում են միմյանց, սկսում է առաջանալ քիմիական կապ: Այնուհետև ատոմները ուժեղ ձգում են միմյանց:
Եթե կա թույլ ձգողականություն, ապա քիմիական կապի առաջացումը պարտադիր չէ։ Եթե ատոմները սկսում են մոտենալ ավելի մոտ հեռավորությունների վրա, միջուկների միջև սկսում են գործել էլեկտրաստատիկ վանող ուժեր։ Ատոմների ուժեղ կոնվերգենցիայի խոչընդոտը նրանց ներքին էլեկտրոնային թաղանթների անհամատեղելիությունն է։
Չափսեր
Անզեն աչքով անհնար է մոլեկուլները տեսնել. Դրանք այնքան փոքր են, որ նույնիսկ 1000x մեծացմամբ մանրադիտակը մեզ չի օգնի տեսնելու դրանք։ Կենսաբանները դիտում են 0,001 մմ փոքր բակտերիաներ: Բայց մոլեկուլները հարյուրավոր և հազարավոր անգամներ փոքր են։
Այսօր որոշակի նյութի մոլեկուլների կառուցվածքը որոշվում է դիֆրակցիոն մեթոդներով՝ նեյտրոնային դիֆրակցիա, ռենտգենյան դիֆրակցիոն անալիզ։ Գոյություն ունի նաև վիբրացիոն սպեկտրոսկոպիա և էլեկտրոնային պարամագնիսական մեթոդ։ Մեթոդի ընտրությունը կախված է նյութի տեսակից և դրա վիճակից։
Մոլեկուլի չափը պայմանական արժեք է՝ հաշվի առնելով էլեկտրոնային թաղանթը։ Կետը ատոմային միջուկներից էլեկտրոնների հեռավորություններն են։ Որքան մեծ են դրանք, այնքան քիչ հավանական է գտնել մոլեկուլի էլեկտրոնները: Գործնականում մոլեկուլների չափերը կարելի է որոշել՝ հաշվի առնելով հավասարակշռության հեռավորությունը։Սա այն միջակայքն է, որի համար մոլեկուլներն իրենք կարող են մոտենալ միմյանց, երբ խիտ փաթեթավորված են մոլեկուլային բյուրեղի և հեղուկի մեջ:
Մեծ հեռավորությունները գրավելու մոլեկուլներ ունեն, իսկ փոքրերը, ընդհակառակը, վանող: Հետեւաբար, մոլեկուլային բյուրեղների ռենտգենյան դիֆրակցիոն վերլուծությունը օգնում է գտնել մոլեկուլի չափերը: Օգտագործելով գազերի դիֆուզիայի, ջերմահաղորդականության և մածուցիկության գործակիցը, ինչպես նաև խտացված վիճակում գտնվող նյութի խտությունը՝ կարելի է որոշել մոլեկուլային չափերի մեծության կարգը։
