Wszystkie ciała, które nas otaczają, składają się z atomów. Z kolei atomy łączą się w cząsteczkę. To właśnie ze względu na różnicę w budowie molekularnej można mówić o substancjach różniących się od siebie na podstawie ich właściwości i parametrów. Cząsteczki i atomy są zawsze w stanie dynamicznym. Poruszając się nadal nie rozpraszają się w różnych kierunkach, ale trzymane są w pewnej strukturze, co zawdzięczamy istnieniu tak ogromnej różnorodności substancji w całym otaczającym nas świecie. Czym są te cząstki i jakie są ich właściwości?
Pojęcia ogólne
Jeżeli zaczniemy od teorii mechaniki kwantowej, to cząsteczka nie składa się z atomów, ale z ich jąder i elektronów, które nieustannie ze sobą oddziałują.
W przypadku niektórych substancji cząsteczka to najmniejsza cząsteczka o składzie i właściwościach chemicznych samej substancji. Tak więc właściwości cząsteczek z punktu widzenia chemii są determinowane przez ich strukturę chemiczną ikompozycja. Ale tylko w przypadku substancji o strukturze molekularnej reguła działa: właściwości chemiczne substancji i cząsteczek są takie same. W przypadku niektórych polimerów, takich jak etylen i polietylen, skład nie odpowiada składowi molekularnemu.
Wiadomo, że o właściwościach cząsteczek decyduje nie tylko liczba atomów, ich rodzaj, ale także konfiguracja, kolejność połączeń. Molekuła to złożona struktura architektoniczna, w której każdy element stoi na swoim miejscu i ma swoich specyficznych sąsiadów. Struktura atomowa może być mniej lub bardziej sztywna. Każdy atom wibruje wokół swojej pozycji równowagi.
Konfiguracja i parametry
Zdarza się, że niektóre części cząsteczki obracają się w stosunku do innych części. Tak więc w procesie ruchu termicznego wolna cząsteczka przybiera dziwaczne kształty (konfiguracje).
Zasadniczo właściwości cząsteczek są określane przez wiązanie (jego typ) między atomami oraz architekturę samej cząsteczki (struktura, kształt). Zatem przede wszystkim ogólna teoria chemiczna uwzględnia wiązania chemiczne i opiera się na właściwościach atomów.
Dzięki silnej polaryzacji właściwości cząsteczek są trudne do opisania za pomocą dwu- lub trzystałych korelacji, które są doskonałe dla cząsteczek niepolarnych. Dlatego wprowadzono dodatkowy parametr z momentem dipolowym. Ale ta metoda nie zawsze jest skuteczna, ponieważ cząsteczki polarne mają indywidualne cechy. Zaproponowano również parametry uwzględniające efekty kwantowe, które są ważne w niskich temperaturach.
Co wiemy o cząsteczce najpopularniejszej substancji na Ziemi?
Spośród wszystkich substancji na naszej planecie najpowszechniejszą jest woda. W sensie dosłownym zapewnia życie wszystkiemu, co istnieje na Ziemi. Tylko wirusy mogą się bez niego obejść, reszta żywych struktur w ich składzie w większości ma wodę. Jakie właściwości molekuły wody, charakterystyczne tylko dla niej, są wykorzystywane w życiu gospodarczym człowieka i dzikiej przyrody Ziemi?
W końcu jest to naprawdę wyjątkowa substancja! Żadna inna substancja nie może pochwalić się zestawem właściwości tkwiących w wodzie.
Woda jest głównym rozpuszczalnikiem występującym w przyrodzie. Wszystkie reakcje zachodzące w żywych organizmach, w taki czy inny sposób, zachodzą w środowisku wodnym. Oznacza to, że substancje wchodzą w reakcje w stanie rozpuszczonym.
Woda ma doskonałą pojemność cieplną, ale niską przewodność cieplną. Dzięki tym właściwościom możemy wykorzystać go jako transport ciepła. Ta zasada jest zawarta w mechanizmie chłodzenia dużej liczby organizmów. W energetyce jądrowej właściwości cząsteczki wody spowodowały zastosowanie tej substancji jako chłodziwa. Oprócz możliwości bycia medium reaktywnym dla innych substancji, sama woda może wchodzić w reakcje: fotolizę, uwodnienie i inne.
Naturalna czysta woda to bezwonna, bezbarwna i pozbawiona smaku ciecz. Ale przy grubości warstwy większej niż 2 metry kolor staje się niebieskawy.
Cała cząsteczka wody jest dipolem (dwa przeciwne bieguny). Jest to struktura dipolowa wprzede wszystkim decyduje o niezwykłych właściwościach tej substancji. Cząsteczka wody jest diamagnesem.
Woda metaliczna ma jeszcze jedną interesującą właściwość: jej cząsteczka nabiera struktury złotego podziału, a struktura substancji nabiera proporcji złotego podziału. Wiele właściwości cząsteczki wody ustalono na podstawie analizy absorpcji i emisji widm paskowych w fazie gazowej.
Właściwości naukowe i molekularne
Wszystkie substancje, z wyjątkiem chemicznych, mają właściwości fizyczne cząsteczek tworzących ich strukturę.
W naukach fizycznych pojęcie cząsteczek służy do wyjaśniania właściwości ciał stałych, cieczy i gazów. Zdolność wszystkich substancji do dyfuzji, ich lepkość, przewodność cieplna i inne właściwości są określane przez ruchliwość cząsteczek. Kiedy francuski fizyk Jean Perrin badał ruchy Browna, eksperymentalnie udowodnił istnienie cząsteczek. Wszystkie żywe organizmy istnieją dzięki doskonale zrównoważonej wewnętrznej interakcji w strukturze. Wszystkie właściwości chemiczne i fizyczne substancji mają fundamentalne znaczenie dla nauk przyrodniczych. Rozwój fizyki, chemii, biologii i fizyki molekularnej dał początek takiej nauce jak biologia molekularna, która zajmuje się badaniem podstawowych zjawisk życiowych.
Korzystając z termodynamiki statystycznej, właściwości fizyczne cząsteczek, które są określane za pomocą spektroskopii molekularnej, w chemii fizycznej określają właściwości termodynamiczne substancji niezbędnych do obliczania równowagi chemicznej i szybkości jej ustanawiania.
Jaka jest różnica między właściwościami atomów i cząsteczek?
Po pierwsze, atomy nie występują w stanie wolnym.
Cząsteczki mają bogatsze widma optyczne. Wynika to z mniejszej symetrii układu i pojawienia się możliwości nowych obrotów i oscylacji jąder. W przypadku cząsteczki całkowita energia składa się z trzech energii, które różnią się w zależności od wielkości składników:
- powłoka elektroniczna (promieniowanie optyczne lub ultrafioletowe);
- drgania jąder (podczerwona część widma);
- obrót cząsteczki jako całości (zakres częstotliwości radiowych).
Atomy emitują charakterystyczne widma liniowe, podczas gdy cząsteczki emitują widma prążkowane składające się z wielu blisko siebie rozmieszczonych linii.
Analiza spektralna
Własności optyczne, elektryczne, magnetyczne i inne cząsteczki są również determinowane przez związek z funkcjami falowymi. Dane dotyczące stanów cząsteczek i prawdopodobnego przejścia między nimi pokazują widma molekularne.
Przejścia (elektroniczne) w cząsteczkach wykazują wiązania chemiczne i strukturę ich powłok elektronowych. Widma z większą liczbą połączeń mają pasma absorpcji o długich falach, które wpadają w obszar widzialny. Jeśli substancja zbudowana jest z takich cząsteczek, ma charakterystyczny kolor. To wszystko są barwniki organiczne.
Właściwości cząsteczek tej samej substancji są takie same we wszystkich stanach skupienia. Oznacza to, że w tych samych substancjach właściwości cząsteczek cieczy, substancji gazowych nie różnią się od właściwości ciała stałego. Cząsteczka jednej substancji ma zawsze taką samą strukturę, niezależnie odzagregowany stan samej materii.
Dane elektryczne
Sposób, w jaki substancja zachowuje się w polu elektrycznym, zależy od właściwości elektrycznych cząsteczek: polaryzowalności i stałego momentu dipolowego.
Moment dipolowy to elektryczna asymetria cząsteczki. Cząsteczki, które mają środek symetrii, taki jak H2, nie mają stałego momentu dipolowego. Zdolność powłoki elektronowej cząsteczki do poruszania się pod wpływem pola elektrycznego, w wyniku którego powstaje w niej indukowany moment dipolowy, to polaryzowalność. Aby znaleźć wartość polaryzowalności i momentu dipolowego, konieczne jest zmierzenie przenikalności.
Zachowanie się fali świetlnej w zmiennym polu elektrycznym charakteryzuje się właściwościami optycznymi substancji, które są określane przez polaryzowalność cząsteczki tej substancji. Bezpośrednio związane z polaryzowalnością są: rozpraszanie, załamanie, aktywność optyczna i inne zjawiska optyki molekularnej.
Często można usłyszeć pytanie: „Od czego oprócz cząsteczek zależą właściwości substancji?” Odpowiedź jest dość prosta.
Właściwości substancji, z wyjątkiem izometrii i struktury krystalicznej, są determinowane przez temperaturę otoczenia, samą substancję, ciśnienie, obecność zanieczyszczeń.
Chemia cząsteczek
Przed powstaniem nauki mechaniki kwantowej natura wiązań chemicznych w cząsteczkach była nierozwiązaną zagadką. Fizyka klasyczna wyjaśnia kierunkowość inasycenie wiązań walencyjnych nie mogło. Po stworzeniu podstawowych informacji teoretycznych o wiązaniu chemicznym (1927) na przykładzie najprostszej cząsteczki H2 zaczęto stopniowo doskonalić teorię i metody obliczeniowe. Na przykład, w oparciu o szerokie zastosowanie metody orbitali molekularnych, chemii kwantowej, możliwe stało się obliczanie odległości międzyatomowych, energii cząsteczek i wiązań chemicznych, rozkładu gęstości elektronowej i innych danych, które całkowicie pokrywały się z danymi eksperymentalnymi.
Substancje o tym samym składzie, ale różnej budowie chemicznej i różnych właściwościach nazywane są izomerami strukturalnymi. Mają różne wzory strukturalne, ale te same wzory molekularne.
Znane są różne typy izomerii strukturalnej. Różnice dotyczą budowy szkieletu węglowego, położenia grupy funkcyjnej lub położenia wiązania wielokrotnego. Ponadto nadal istnieją izomery przestrzenne, w których właściwości cząsteczki substancji charakteryzują się tym samym składem i budową chemiczną. Dlatego zarówno wzory strukturalne, jak i molekularne są takie same. Różnice tkwią w przestrzennym kształcie cząsteczki. Do przedstawienia różnych izomerów przestrzennych używane są specjalne formuły.
Istnieją związki zwane homologami. Są one podobne pod względem struktury i właściwości, ale różnią się składem o jedną lub więcej grup CH2. Wszystkie substancje o podobnej budowie i właściwościach łączy się w szeregi homologiczne. Po przestudiowaniu właściwości jednego homologa można wnioskować o każdym innym z nich. Zbiór homologów jest serią homologiczną.
Podczas przekształcania struktur materiiwłaściwości chemiczne cząsteczek zmieniają się dramatycznie. Przykładem są nawet najprostsze związki: metan, w połączeniu z choćby jednym atomem tlenu, staje się trującą cieczą zwaną metanolem (alkohol metylowy - CH3OH). W związku z tym jego chemiczna komplementarność i wpływ na żywe organizmy stają się inne. Podobne, ale bardziej złożone zmiany zachodzą podczas modyfikacji struktur biomolekuł.
Chemiczne właściwości cząsteczek silnie zależą od struktury i właściwości cząsteczki: od zawartych w niej wiązań energetycznych i geometrii samej cząsteczki. Dotyczy to zwłaszcza związków biologicznie czynnych. O tym, która konkurująca reakcja będzie dominować, często decydują jedynie czynniki przestrzenne, które z kolei zależą od początkowych cząsteczek (ich konfiguracji). Jedna cząsteczka o „niewygodnej” konfiguracji w ogóle nie zareaguje, podczas gdy inna o tym samym składzie chemicznym, ale o innej geometrii może zareagować natychmiast.
Duża liczba procesów biologicznych obserwowanych podczas wzrostu i reprodukcji jest związana z geometrycznymi zależnościami między produktami reakcji a materiałami wyjściowymi. Dla Twojej informacji: działanie wielu nowych leków opiera się na podobnej budowie molekularnej związku szkodliwego z biologicznego punktu widzenia dla organizmu człowieka. Lek zajmuje miejsce szkodliwej cząsteczki i utrudnia działanie.
Za pomocą wzorów chemicznych wyrażany jest skład i właściwości cząsteczek różnych substancji. Na podstawie masy cząsteczkowej, analizy chemicznej ustala się i zestawia stosunek atomowywzór empiryczny.
Geometria
Wyznaczanie struktury geometrycznej cząsteczki odbywa się z uwzględnieniem równowagowego układu jąder atomowych. Energia oddziaływania atomów zależy od odległości między jądrami atomów. Na bardzo dużych odległościach ta energia wynosi zero. Gdy atomy zbliżają się do siebie, zaczyna tworzyć się wiązanie chemiczne. Wtedy atomy są silnie przyciągane do siebie.
W przypadku słabego przyciągania, tworzenie wiązania chemicznego nie jest konieczne. Jeśli atomy zaczną zbliżać się na bliższe odległości, między jądrami zaczynają działać elektrostatyczne siły odpychające. Przeszkodą w silnej zbieżności atomów jest niekompatybilność ich wewnętrznych powłok elektronowych.
Rozmiary
Nie można zobaczyć cząsteczek gołym okiem. Są tak małe, że nawet mikroskop o powiększeniu 1000x nie pomoże nam ich zobaczyć. Biolodzy obserwują bakterie o wielkości zaledwie 0,001 mm. Ale cząsteczki są setki i tysiące razy mniejsze.
Dzisiaj struktura cząsteczek określonej substancji jest określana metodami dyfrakcyjnymi: dyfrakcja neutronowa, analiza dyfrakcji rentgenowskiej. Istnieje również spektroskopia oscylacyjna i metoda paramagnetyczna elektronów. Wybór metody zależy od rodzaju substancji i jej stanu.
Wielkość cząsteczki jest wartością warunkową, uwzględniającą powłokę elektronową. Chodzi o odległości elektronów od jąder atomowych. Im są większe, tym mniejsze prawdopodobieństwo znalezienia elektronów cząsteczki. W praktyce wielkość cząsteczek można określić biorąc pod uwagę odległość równowagową. Jest to przedział, w którym same cząsteczki mogą zbliżyć się do siebie, gdy są gęsto upakowane w krysztale molekularnym i w cieczy.
Na dużych odległościach cząsteczki przyciągają, a małe, przeciwnie, odpychają. Dlatego analiza dyfrakcji rentgenowskiej kryształów molekularnych pomaga znaleźć wymiary cząsteczki. Wykorzystując współczynnik dyfuzji, przewodność cieplną i lepkość gazów, a także gęstość substancji w stanie skondensowanym, można określić rząd wielkości cząsteczek.
