همه اجسامی که ما را احاطه کرده اند از اتم تشکیل شده اند. اتم ها به نوبه خود به یک مولکول جمع می شوند. به دلیل تفاوت در ساختار مولکولی است که می توان در مورد موادی که با یکدیگر متفاوت هستند، بر اساس خواص و پارامترهای آنها صحبت کرد. مولکول ها و اتم ها همیشه در حالت پویایی هستند. با حرکت، آنها هنوز در جهات مختلف پراکنده نمی شوند، بلکه در ساختار خاصی نگهداری می شوند که ما مدیون وجود چنین تنوع عظیمی از مواد در کل دنیای اطراف خود هستیم. این ذرات چیست و چه خواصی دارند؟
مفاهیم کلی
اگر از نظریه مکانیک کوانتومی شروع کنیم، آنگاه مولکول از اتم ها تشکیل نمی شود، بلکه هسته ها و الکترون های آنهاست که دائماً با یکدیگر برهم کنش دارند.
برای برخی از مواد، یک مولکول کوچکترین ذره ای است که ترکیب و خواص شیمیایی خود ماده را دارد. بنابراین، خواص مولکول ها از دیدگاه شیمی توسط ساختار شیمیایی آن تعیین می شود وترکیب بندی. اما فقط برای مواد با ساختار مولکولی، این قانون کار می کند: خواص شیمیایی مواد و مولکول ها یکسان است. برای برخی از پلیمرها، مانند اتیلن و پلی اتیلن، ترکیب با ترکیب مولکولی مطابقت ندارد.
مشخص است که خواص مولکول ها نه تنها با تعداد اتم ها، نوع آنها، بلکه با پیکربندی، ترتیب اتصال نیز تعیین می شود. مولکول یک ساختار معماری پیچیده است که در آن هر عنصر در جای خود می ایستد و همسایگان خاص خود را دارد. ساختار اتمی می تواند کم و بیش سفت و سخت باشد. هر اتم در مورد موقعیت تعادل خود می لرزد.
پیکربندی و پارامترها
این اتفاق می افتد که برخی از قسمت های مولکول نسبت به قسمت های دیگر می چرخند. بنابراین، در فرآیند حرکت حرارتی، یک مولکول آزاد اشکال (پیکربندی‌های) عجیبی به خود می‌گیرد.
اساساً، خواص مولکول ها با پیوند (نوع آن) بین اتم ها و معماری خود مولکول (ساختار، شکل) تعیین می شود. بنابراین، اول از همه، نظریه عمومی شیمیایی پیوندهای شیمیایی را در نظر می گیرد و بر اساس خواص اتم ها است.
با یک قطبیت قوی، توصیف خواص مولکول ها با همبستگی های دو یا سه ثابت دشوار است، که برای مولکول های غیر قطبی عالی هستند. بنابراین، یک پارامتر اضافی با ممان دوقطبی معرفی شد. اما این روش همیشه موفق نیست، زیرا مولکول های قطبی ویژگی های فردی دارند. پارامترهایی نیز برای محاسبه اثرات کوانتومی، که در دماهای پایین مهم هستند، پیشنهاد شده‌اند.
در مورد مولکول رایج ترین ماده روی زمین چه می دانیم؟
از همه مواد موجود در سیاره ما، رایج ترین آنها آب است. به معنای واقعی کلمه، زندگی را برای هر چیزی که روی زمین وجود دارد فراهم می کند. فقط ویروس ها می توانند بدون آن کار کنند، بقیه ساختارهای زنده در ترکیب خود در اکثر موارد دارای آب هستند. چه خواصی از مولکول آب، که فقط مشخصه آن است، در زندگی اقتصادی انسان و حیات وحش زمین استفاده می شود؟
بالاخره، این یک ماده واقعا منحصر به فرد است! هیچ ماده دیگری نمی تواند به مجموعه ای از خواص ذاتی آب ببالد.
آب حلال اصلی در طبیعت است. تمام واکنش هایی که در موجودات زنده رخ می دهد، به هر شکلی، در محیط آبی رخ می دهد. یعنی مواد در حالت محلول وارد واکنش می شوند.
آب ظرفیت گرمایی عالی دارد، اما رسانایی حرارتی پایینی دارد. به لطف این ویژگی ها، می توانیم از آن به عنوان یک انتقال حرارت استفاده کنیم. این اصل در مکانیسم خنک کننده تعداد زیادی از موجودات گنجانده شده است. در صنعت انرژی هسته ای، خواص مولکول آب باعث استفاده از این ماده به عنوان خنک کننده شد. علاوه بر این که آب می تواند یک محیط واکنش پذیر برای سایر مواد باشد، خود آب می تواند وارد واکنش هایی شود: فتولیز، هیدراتاسیون و غیره.
آب خالص طبیعی مایعی بی بو، بی رنگ و بی مزه است. اما در ضخامت لایه بیشتر از 2 متر، رنگ مایل به آبی می شود.
کل مولکول آب یک دوقطبی است (دو قطب مخالف). این ساختار دوقطبی در استبه طور عمده خواص غیر معمول این ماده را تعیین می کند. مولکول آب یک دیامغناطیس است.
آب فلزی خاصیت جالب دیگری دارد: مولکول آن ساختار نسبت طلایی را به دست می آورد و ساختار ماده نسبت های مقطع طلایی را به دست می آورد. بسیاری از خواص مولکول آب با تجزیه و تحلیل جذب و انتشار طیف های راه راه در فاز گاز مشخص شده است.
علم و خواص مولکولی
همه مواد، به جز مواد شیمیایی، دارای خواص فیزیکی مولکولهایی هستند که ساختار آنها را تشکیل می دهند.
در علوم فیزیکی از مفهوم مولکول برای توضیح خواص جامدات، مایعات و گازها استفاده می شود. توانایی همه مواد برای انتشار، ویسکوزیته، رسانایی حرارتی و سایر خواص توسط تحرک مولکول ها تعیین می شود. زمانی که فیزیکدان فرانسوی ژان پرین در حال مطالعه حرکت براونی بود، به طور تجربی وجود مولکول ها را ثابت کرد. همه موجودات زنده به دلیل یک تعامل داخلی متعادل در ساختار وجود دارند. تمام خواص شیمیایی و فیزیکی مواد برای علم طبیعی اهمیت اساسی دارد. توسعه فیزیک، شیمی، زیست شناسی و فیزیک مولکولی منجر به پیدایش علمی مانند زیست شناسی مولکولی شد که پدیده های اساسی زندگی را مطالعه می کند.
با استفاده از ترمودینامیک آماری، خواص فیزیکی مولکولها که با طیف‌سنجی مولکولی تعیین می‌شوند، در شیمی فیزیکی، خواص ترمودینامیکی مواد لازم برای محاسبه تعادل‌های شیمیایی و سرعت ایجاد آن را تعیین می‌کنند.
تفاوت بین خواص اتم ها و مولکول ها چیست؟
اول از همه، اتم ها در حالت آزاد وجود ندارند.
مولکول ها طیف نوری غنی تری دارند. این به دلیل تقارن کمتر سیستم و ظهور امکان چرخش و نوسانات جدید هسته ها است. برای یک مولکول، کل انرژی شامل سه انرژی است که به ترتیب بزرگی اجزا متفاوت هستند:
- پوسته الکترونیکی (تابش نوری یا فرابنفش)؛
- ارتعاشات هسته ها (قسمت مادون قرمز طیف)؛
- چرخش مولکول به عنوان یک کل (محدوده فرکانس رادیویی).
اتم ها طیف های خطی مشخصه را منتشر می کنند، در حالی که مولکول ها طیف های راه راه متشکل از خطوط بسیار نزدیک را منتشر می کنند.
تحلیل طیفی
خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و سایر خواص یک مولکول نیز با اتصال با توابع موج تعیین می شود. داده‌های مربوط به حالات مولکولها و انتقال احتمالی بین آنها، طیف‌های مولکولی را نشان می‌دهد.
انتقال (الکترونیکی) در مولکول ها پیوندهای شیمیایی و ساختار لایه های الکترونی آنها را نشان می دهد. طیف هایی با اتصالات بیشتر دارای باندهای جذبی با طول موج بلند هستند که در ناحیه مرئی قرار می گیرند. اگر ماده ای از چنین مولکولی ساخته شود، رنگ مشخصی دارد. اینها همه رنگهای ارگانیک هستند.
خواص مولکول های یک ماده در همه حالت های تجمع یکسان است. این بدان معناست که در همان مواد، خواص مولکول های مواد مایع و گاز با خواص جامد تفاوتی ندارد. مولکول یک ماده بدون توجه به اینکه همیشه ساختار یکسانی داردحالت مجموع خود ماده.
داده های الکتریکی
روش رفتار یک ماده در میدان الکتریکی با ویژگی های الکتریکی مولکول ها تعیین می شود: قطبش پذیری و گشتاور دوقطبی دائمی.
گشتاور دوقطبی عدم تقارن الکتریکی یک مولکول است. مولکول هایی که مرکز تقارن دارند مانند H2 دارای گشتاور دوقطبی دائمی نیستند. توانایی پوسته الکترونی یک مولکول برای حرکت تحت تأثیر میدان الکتریکی که در نتیجه آن یک گشتاور دوقطبی القایی در آن ایجاد می شود، قطبی پذیری است. برای یافتن مقدار قطبش پذیری و گشتاور دوقطبی، اندازه گیری گذردهی ضروری است.
رفتار موج نور در یک میدان الکتریکی متناوب با خواص نوری یک ماده مشخص می شود که با قطبش پذیری یک مولکول این ماده مشخص می شود. ارتباط مستقیم با قطبش پذیری عبارتند از: پراکندگی، شکست، فعالیت نوری و سایر پدیده های نوری مولکولی.
اغلب می توان این سوال را شنید: "خواص یک ماده، علاوه بر مولکول ها، به چه چیزهایی بستگی دارد؟" پاسخ بسیار ساده است.
خواص مواد، به جز ایزومتریک و ساختار بلوری، با دمای محیط، خود ماده، فشار، وجود ناخالصی تعیین می شود.
شیمی مولکولها
قبل از شکل گیری علم مکانیک کوانتومی، ماهیت پیوندهای شیمیایی در مولکول ها یک معمای حل نشده بود. فیزیک کلاسیک جهت دهی واشباع از اوراق قرضه ظرفیت نمی تواند. پس از ایجاد اطلاعات نظری پایه در مورد پیوند شیمیایی (1927) با استفاده از مثال ساده ترین مولکول H2، تئوری و روش های محاسبه به تدریج شروع به بهبود کردند. به عنوان مثال، بر اساس استفاده گسترده از روش اوربیتال های مولکولی، شیمی کوانتومی، محاسبه فواصل بین اتمی، انرژی مولکول ها و پیوندهای شیمیایی، توزیع چگالی الکترون و سایر داده هایی که کاملاً با داده های تجربی منطبق بودند، ممکن شد.
مواد با ترکیب یکسان، اما ساختار شیمیایی متفاوت و خواص متفاوت، ایزومرهای ساختاری نامیده می شوند. آنها فرمول های ساختاری متفاوتی دارند، اما فرمول های مولکولی یکسانی دارند.
انواع مختلف ایزومری ساختاری شناخته شده است. تفاوت ها در ساختار اسکلت کربن، موقعیت گروه عملکردی یا موقعیت پیوند چندگانه نهفته است. علاوه بر این، هنوز ایزومرهای فضایی وجود دارند که در آنها خواص یک مولکول ماده با ترکیب و ساختار شیمیایی یکسان مشخص می شود. بنابراین، هر دو فرمول ساختاری و مولکولی یکسان هستند. تفاوت ها در شکل فضایی مولکول نهفته است. فرمول های ویژه ای برای نشان دادن ایزومرهای فضایی مختلف استفاده می شود.
ترکیباتی هستند که همولوگ نامیده می شوند. آنها از نظر ساختار و خواص مشابه هستند، اما در ترکیب با یک یا چند گروه CH2 متفاوت هستند. تمام مواد مشابه در ساختار و خواص در سری های همولوگ ترکیب می شوند. با مطالعه خواص یک همولوگ، می توان در مورد هر یک از آنها استدلال کرد. مجموعه همولوگ ها یک سری همولوگ هستند.
هنگام تبدیل ساختارهای مادهخواص شیمیایی مولکول ها به طور چشمگیری تغییر می کند. حتی ساده ترین ترکیبات نیز به عنوان مثال عمل می کنند: متان، هنگامی که با حتی یک اتم اکسیژن ترکیب می شود، به مایع سمی به نام متانول (متیل الکل - CH3OH) تبدیل می شود. بر این اساس، مکمل شیمیایی و تأثیر آن بر موجودات زنده متفاوت می شود. تغییرات مشابه اما پیچیده تری هنگام اصلاح ساختار مولکول های زیستی رخ می دهد.
خواص مولکولی شیمیایی به شدت به ساختار و خواص مولکول ها بستگی دارد: به پیوندهای انرژی در آن و هندسه خود مولکول. این امر به ویژه در ترکیبات فعال بیولوژیکی صادق است. اینکه کدام واکنش رقیب غالب خواهد بود اغلب تنها توسط عوامل فضایی تعیین می شود که به نوبه خود به مولکول های اولیه (پیکربندی آنها) بستگی دارد. یک مولکول با پیکربندی "ناراحت کننده" به هیچ وجه واکنش نشان نمی دهد، در حالی که دیگری با همان ترکیب شیمیایی اما هندسه متفاوت ممکن است فورا واکنش نشان دهد.
تعداد زیادی از فرآیندهای بیولوژیکی مشاهده شده در طول رشد و تولید مثل با روابط هندسی بین محصولات واکنش و مواد اولیه مرتبط است. برای اطلاع شما: عمل تعداد قابل توجهی از داروهای جدید مبتنی بر ساختار مولکولی مشابه یک ترکیب است که از نظر بیولوژیکی برای بدن انسان مضر است. این دارو جای مولکول مضر را می گیرد و عمل را دشوار می کند.
به کمک فرمول های شیمیایی ترکیب و خواص مولکول های مواد مختلف بیان می شود. بر اساس وزن مولکولی، تجزیه و تحلیل شیمیایی، نسبت اتمی تعیین و تدوین می شودفرمول تجربی.
هندسه
تعیین ساختار هندسی یک مولکول با در نظر گرفتن آرایش تعادلی هسته های اتم انجام می شود. انرژی برهمکنش اتم ها به فاصله بین هسته اتم ها بستگی دارد. در فواصل بسیار زیاد این انرژی صفر است. با نزدیک شدن اتم ها به یکدیگر، یک پیوند شیمیایی شروع به تشکیل می کند. سپس اتم ها به شدت به یکدیگر جذب می شوند.
اگر جاذبه ضعیفی وجود داشته باشد، تشکیل پیوند شیمیایی ضروری نیست. اگر اتم‌ها در فواصل نزدیک‌تر شروع به نزدیک شدن کنند، نیروهای دافعه الکترواستاتیکی بین هسته‌ها شروع به عمل می‌کنند. یک مانع برای همگرایی قوی اتم ها، ناسازگاری لایه های الکترونی داخلی آنهاست.
سایز
دیدن مولکول ها با چشم غیرمسلح غیرممکن است. آنها به قدری کوچک هستند که حتی یک میکروسکوپ با بزرگنمایی 1000 برابری برای دیدن آنها به ما کمک نمی کند. زیست شناسان باکتری هایی به کوچکی 0.001 میلی متر را مشاهده می کنند. اما مولکول ها صدها و هزاران بار کوچکتر هستند.
امروزه ساختار مولکول های یک ماده خاص با روش های پراش تعیین می شود: پراش نوترون، تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس. طیف‌سنجی ارتعاشی و روش پارامغناطیس الکترونی نیز وجود دارد. انتخاب روش بستگی به نوع ماده و شرایط آن دارد.
اندازه یک مولکول با در نظر گرفتن پوسته الکترونی یک مقدار شرطی است. نکته فاصله الکترون ها از هسته اتم است. هرچه بزرگتر باشند، احتمال یافتن الکترون های مولکول کمتر است. در عمل، اندازه مولکول ها را می توان با در نظر گرفتن فاصله تعادل تعیین کرد.این فاصله زمانی است که مولکولها وقتی به صورت متراکم در یک کریستال مولکولی و در یک مایع بسته می‌شوند، می‌توانند به یکدیگر نزدیک شوند.
فواصل بزرگ مولکول هایی برای جذب دارند و فواصل کوچک، برعکس، برای دافعه. بنابراین، تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس کریستال های مولکولی به یافتن ابعاد مولکول کمک می کند. با استفاده از ضریب انتشار، هدایت حرارتی و ویسکوزیته گازها و همچنین چگالی یک ماده در حالت متراکم می توان ترتیب بزرگی اندازه های مولکولی را تعیین کرد.
