Semua badan yang mengelilingi kita terdiri daripada atom. Atom, seterusnya, berkumpul menjadi molekul. Ia disebabkan oleh perbezaan dalam struktur molekul yang boleh bercakap tentang bahan yang berbeza antara satu sama lain, berdasarkan sifat dan parameternya. Molekul dan atom sentiasa dalam keadaan dinamik. Bergerak, mereka masih tidak berselerak ke arah yang berbeza, tetapi dipegang dalam struktur tertentu, yang kita berhutang kepada kewujudan pelbagai jenis bahan di seluruh dunia di sekeliling kita. Apakah zarah ini dan apakah sifatnya?
Konsep umum
Jika kita bermula dari teori mekanik kuantum, maka molekul itu tidak terdiri daripada atom, tetapi nukleus dan elektronnya, yang sentiasa berinteraksi antara satu sama lain.
Bagi sesetengah bahan, molekul ialah zarah terkecil yang mempunyai komposisi dan sifat kimia bahan itu sendiri. Jadi, sifat molekul dari sudut pandangan kimia ditentukan oleh struktur kimianya dangubahan. Tetapi hanya untuk bahan dengan struktur molekul, peraturannya berfungsi: sifat kimia bahan dan molekul adalah sama. Bagi sesetengah polimer, seperti etilena dan polietilena, komposisi tidak sepadan dengan komposisi molekul.
Adalah diketahui bahawa sifat molekul ditentukan bukan sahaja oleh bilangan atom, jenisnya, tetapi juga oleh konfigurasi, susunan sambungan. Molekul ialah struktur seni bina yang kompleks, di mana setiap elemen berdiri di tempatnya dan mempunyai jiran tertentu. Struktur atom boleh menjadi lebih atau kurang tegar. Setiap atom bergetar tentang kedudukan keseimbangannya.
Konfigurasi dan parameter
Ia berlaku bahawa beberapa bahagian molekul berputar berhubung dengan bahagian lain. Jadi, dalam proses gerakan terma, molekul bebas mengambil bentuk yang pelik (konfigurasi).
Pada asasnya, sifat molekul ditentukan oleh ikatan (jenisnya) antara atom dan seni bina molekul itu sendiri (struktur, bentuk). Oleh itu, pertama sekali, teori kimia am mempertimbangkan ikatan kimia dan berdasarkan sifat atom.
Dengan kekutuban yang kuat, sifat molekul sukar untuk digambarkan dengan korelasi dua atau tiga malar, yang sangat baik untuk molekul bukan kutub. Oleh itu, parameter tambahan dengan momen dipol telah diperkenalkan. Tetapi kaedah ini tidak selalu berjaya, kerana molekul polar mempunyai ciri-ciri individu. Parameter juga telah dicadangkan untuk mengambil kira kesan kuantum, yang penting pada suhu rendah.
Apakah yang kita ketahui tentang molekul bahan yang paling biasa di Bumi?
Dari semua bahan di planet kita, yang paling biasa ialah air. Ia, dalam erti kata literal, menyediakan kehidupan untuk semua yang wujud di Bumi. Hanya virus yang boleh melakukannya tanpanya, sebahagian besar struktur hidup dalam komposisinya mempunyai air. Apakah sifat molekul air, hanya ciri-cirinya, yang digunakan dalam kehidupan ekonomi manusia dan hidupan liar di Bumi?
Lagipun, ini adalah bahan yang benar-benar unik! Tiada bahan lain boleh membanggakan satu set sifat yang wujud dalam air.
Air ialah pelarut utama dalam alam semula jadi. Semua tindak balas yang berlaku dalam organisma hidup, satu cara atau yang lain, berlaku dalam persekitaran akuatik. Iaitu, bahan memasuki tindak balas semasa dalam keadaan terlarut.
Air mempunyai kapasiti haba yang sangat baik, tetapi kekonduksian haba yang rendah. Terima kasih kepada sifat-sifat ini, kita boleh menggunakannya sebagai pengangkutan haba. Prinsip ini termasuk dalam mekanisme penyejukan sebilangan besar organisma. Dalam industri tenaga nuklear, sifat molekul air menimbulkan penggunaan bahan ini sebagai penyejuk. Selain kemungkinan menjadi medium reaktif untuk bahan lain, air itu sendiri boleh memasuki tindak balas: fotolisis, penghidratan dan lain-lain.
Air tulen semulajadi ialah cecair tidak berbau, tidak berwarna dan tidak berasa. Tetapi pada ketebalan lapisan lebih daripada 2 meter, warna menjadi kebiruan.
Seluruh molekul air ialah dipol (dua kutub bertentangan). Ia adalah struktur dipol dalamterutamanya menentukan sifat luar biasa bahan ini. Molekul air ialah diamagnet.
Air logam mempunyai satu lagi sifat menarik: molekulnya memperoleh struktur nisbah emas, dan struktur bahan memperoleh perkadaran bahagian emas. Banyak sifat molekul air telah ditubuhkan dengan menganalisis penyerapan dan pelepasan spektrum berjalur dalam fasa gas.
Sains dan sifat molekul
Semua bahan, kecuali bahan kimia, mempunyai sifat fizikal molekul yang membentuk strukturnya.
Dalam sains fizik, konsep molekul digunakan untuk menerangkan sifat pepejal, cecair dan gas. Keupayaan semua bahan untuk meresap, kelikatannya, kekonduksian terma dan sifat-sifat lain ditentukan oleh mobiliti molekul. Apabila ahli fizik Perancis Jean Perrin sedang mengkaji gerakan Brown, dia secara eksperimen membuktikan kewujudan molekul. Semua organisma hidup wujud kerana interaksi dalaman yang seimbang dalam struktur. Semua sifat kimia dan fizikal bahan adalah kepentingan asas untuk sains semula jadi. Perkembangan fizik, kimia, biologi dan fizik molekul melahirkan sains seperti biologi molekul, yang mengkaji fenomena asas dalam kehidupan.
Menggunakan termodinamik statistik, sifat fizik molekul, yang ditentukan oleh spektroskopi molekul, dalam kimia fizik menentukan sifat termodinamik bahan yang diperlukan untuk mengira keseimbangan kimia dan kadar pembentukannya.
Apakah perbezaan antara sifat atom dan molekul?
Pertama sekali, atom tidak berlaku dalam keadaan bebas.
Molekul mempunyai spektrum optik yang lebih kaya. Ini disebabkan oleh simetri sistem yang lebih rendah dan kemunculan kemungkinan putaran dan ayunan baru nukleus. Untuk molekul, jumlah tenaga terdiri daripada tiga tenaga yang berbeza mengikut urutan magnitud komponen:
- cengkerang elektronik (radiasi optik atau ultraungu);
- getaran nukleus (bahagian inframerah spektrum);
- putaran molekul secara keseluruhan (julat frekuensi radio).
Atom memancarkan spektrum garis berciri, manakala molekul memancarkan spektrum berjalur yang terdiri daripada banyak garisan berjari rapat.
Analisis spektral
Sifat optik, elektrik, magnet dan lain-lain molekul juga ditentukan oleh sambungan dengan fungsi gelombang. Data tentang keadaan molekul dan kemungkinan peralihan antara mereka menunjukkan spektrum molekul.
Peralihan (elektronik) dalam molekul menunjukkan ikatan kimia dan struktur kulit elektronnya. Spektrum dengan lebih banyak sambungan mempunyai jalur penyerapan gelombang panjang yang jatuh ke dalam kawasan yang boleh dilihat. Jika bahan dibina daripada molekul sedemikian, ia mempunyai warna ciri. Ini semua adalah pewarna organik.
Sifat molekul bahan yang sama adalah sama dalam semua keadaan pengagregatan. Ini bermakna bahawa dalam bahan yang sama, sifat molekul cecair, bahan gas tidak berbeza daripada sifat pepejal. Molekul satu bahan sentiasa mempunyai struktur yang sama, tanpa mengirakeadaan agregat jirim itu sendiri.
Data elektrik
Cara bahan bertindak dalam medan elektrik ditentukan oleh ciri elektrik molekul: kebolehkutuban dan momen dipol kekal.
Momen dipol ialah asimetri elektrik molekul. Molekul yang mempunyai pusat simetri seperti H2 tidak mempunyai momen dipol kekal. Keupayaan kulit elektron molekul untuk bergerak di bawah pengaruh medan elektrik, akibatnya momen dipol teraruh terbentuk di dalamnya, adalah kebolehpolaran. Untuk mencari nilai kebolehkutuban dan momen dipol, adalah perlu untuk mengukur kebolehtelapan.
Tingkah laku gelombang cahaya dalam medan elektrik berselang-seli dicirikan oleh sifat optik bahan, yang ditentukan oleh kebolehpolaran molekul bahan ini. Berkait secara langsung dengan kebolehpolaran ialah: penyerakan, pembiasan, aktiviti optik dan fenomena optik molekul lain.
Seseorang selalunya boleh mendengar soalan: “Pada apa, selain molekul, sifat sesuatu bahan bergantung?” Jawapannya agak mudah.
Sifat bahan, kecuali isometri dan struktur kristal, ditentukan oleh suhu persekitaran, bahan itu sendiri, tekanan, kehadiran bendasing.
Kimia molekul
Sebelum pembentukan sains mekanik kuantum, sifat ikatan kimia dalam molekul adalah misteri yang tidak dapat diselesaikan. Fizik klasik menerangkan arah danketepuan ikatan valens tidak dapat. Selepas penciptaan maklumat teori asas tentang ikatan kimia (1927) menggunakan contoh molekul H2 yang paling mudah, teori dan kaedah pengiraan mula diperbaiki secara beransur-ansur. Sebagai contoh, berdasarkan penggunaan meluas kaedah orbital molekul, kimia kuantum, adalah mungkin untuk mengira jarak interatomik, tenaga molekul dan ikatan kimia, taburan ketumpatan elektron dan data lain yang bertepatan sepenuhnya dengan data eksperimen.
Bahan dengan komposisi yang sama, tetapi struktur kimia yang berbeza dan sifat yang berbeza, dipanggil isomer struktur. Mereka mempunyai formula struktur yang berbeza, tetapi formula molekul yang sama.
Jenis isomerisme struktur yang berbeza diketahui. Perbezaannya terletak pada struktur rangka karbon, kedudukan kumpulan berfungsi, atau kedudukan ikatan berganda. Selain itu, masih terdapat isomer spatial di mana sifat-sifat molekul bahan dicirikan oleh komposisi dan struktur kimia yang sama. Oleh itu, kedua-dua formula struktur dan molekul adalah sama. Perbezaannya terletak pada bentuk spatial molekul. Formula khas digunakan untuk mewakili isomer spatial yang berbeza.
Terdapat sebatian yang dipanggil homolog. Mereka serupa dalam struktur dan sifat, tetapi berbeza dalam komposisi oleh satu atau lebih kumpulan CH2. Semua bahan yang serupa dalam struktur dan sifat digabungkan menjadi siri homolog. Setelah mengkaji sifat-sifat satu homolog, seseorang boleh membuat alasan tentang mana-mana yang lain. Set homolog ialah siri homolog.
Apabila mengubah struktur jirimsifat kimia molekul berubah secara mendadak. Malah sebatian paling ringkas berfungsi sebagai contoh: metana, apabila digabungkan dengan walaupun satu atom oksigen, menjadi cecair beracun yang dipanggil metanol (metil alkohol - CH3OH). Sehubungan itu, komplementari dan kesan kimianya terhadap organisma hidup menjadi berbeza. Perubahan yang serupa tetapi lebih kompleks berlaku apabila mengubah suai struktur biomolekul.
Sifat molekul kimia sangat bergantung pada struktur dan sifat molekul: pada ikatan tenaga di dalamnya dan geometri molekul itu sendiri. Ini benar terutamanya dalam sebatian aktif secara biologi. Tindak balas bersaing mana yang akan menjadi dominan selalunya ditentukan hanya oleh faktor spatial, yang seterusnya bergantung pada molekul awal (konfigurasinya). Satu molekul dengan konfigurasi "tidak selesa" tidak akan bertindak balas sama sekali, manakala molekul lain dengan komposisi kimia yang sama tetapi geometri yang berbeza mungkin bertindak balas serta-merta.
Sebilangan besar proses biologi yang diperhatikan semasa pertumbuhan dan pembiakan dikaitkan dengan hubungan geometri antara hasil tindak balas dan bahan permulaan. Untuk makluman anda: tindakan sejumlah besar ubat baru adalah berdasarkan struktur molekul sebatian yang serupa yang berbahaya dari sudut biologi untuk tubuh manusia. Ubat itu menggantikan molekul berbahaya dan menjadikannya sukar untuk bertindak.
Dengan bantuan formula kimia, komposisi dan sifat molekul bahan yang berbeza dinyatakan. Berdasarkan berat molekul, analisis kimia, nisbah atom ditubuhkan dan disusunformula empirikal.
Geometri
Penentuan struktur geometri molekul dibuat dengan mengambil kira susunan keseimbangan nukleus atom. Tenaga interaksi atom bergantung pada jarak antara nukleus atom. Pada jarak yang sangat jauh, tenaga ini adalah sifar. Apabila atom mendekati satu sama lain, ikatan kimia mula terbentuk. Kemudian atom-atom tertarik dengan kuat antara satu sama lain.
Jika terdapat tarikan yang lemah, maka pembentukan ikatan kimia tidak diperlukan. Jika atom mula mendekati pada jarak yang lebih dekat, daya tolakan elektrostatik mula bertindak di antara nukleus. Halangan kepada penumpuan kuat atom ialah ketidakserasian kulit elektron dalamannya.
Saiz
Adalah mustahil untuk melihat molekul dengan mata kasar. Mereka sangat kecil sehingga mikroskop dengan pembesaran 1000x tidak akan membantu kita melihatnya. Ahli biologi memerhatikan bakteria sekecil 0.001 mm. Tetapi molekul beratus-ratus dan beribu-ribu kali lebih kecil.
Hari ini, struktur molekul bahan tertentu ditentukan oleh kaedah pembelauan: pembelauan neutron, analisis pembelauan sinar-X. Terdapat juga spektroskopi getaran dan kaedah paramagnet elektron. Pilihan kaedah bergantung pada jenis bahan dan keadaannya.
Saiz molekul ialah nilai bersyarat, dengan mengambil kira petala elektron. Intinya ialah jarak elektron dari nukleus atom. Semakin besar mereka, semakin kecil kemungkinannya untuk mencari elektron molekul. Dalam amalan, saiz molekul boleh ditentukan dengan mengambil kira jarak keseimbangan. Ini ialah selang yang mana molekul itu sendiri boleh mendekati satu sama lain apabila padat dalam hablur molekul dan dalam cecair.
Jarak yang jauh mempunyai molekul untuk menarik, dan yang kecil, sebaliknya, mempunyai tolakan. Oleh itu, analisis pembelauan sinar-X bagi hablur molekul membantu mencari dimensi molekul. Menggunakan pekali resapan, kekonduksian terma dan kelikatan gas, serta ketumpatan bahan dalam keadaan pekat, seseorang boleh menentukan susunan magnitud saiz molekul.
