Όλα τα σώματα που μας περιβάλλουν αποτελούνται από άτομα. Τα άτομα, με τη σειρά τους, συγκεντρώνονται σε ένα μόριο. Λόγω της διαφοράς στη μοριακή δομή μπορεί κανείς να μιλήσει για ουσίες που διαφέρουν μεταξύ τους, με βάση τις ιδιότητες και τις παραμέτρους τους. Τα μόρια και τα άτομα βρίσκονται πάντα σε κατάσταση δυναμικής. Κινούμενοι, εξακολουθούν να μην διασκορπίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, αλλά συγκρατούνται σε μια συγκεκριμένη δομή, την οποία οφείλουμε στην ύπαρξη μιας τέτοιας τεράστιας ποικιλίας ουσιών σε ολόκληρο τον κόσμο γύρω μας. Ποια είναι αυτά τα σωματίδια και ποιες είναι οι ιδιότητές τους;
Γενικές έννοιες
Αν ξεκινήσουμε από τη θεωρία της κβαντικής μηχανικής, τότε το μόριο δεν αποτελείται από άτομα, αλλά τους πυρήνες και τα ηλεκτρόνια τους, τα οποία αλληλεπιδρούν συνεχώς μεταξύ τους.
Για ορισμένες ουσίες, ένα μόριο είναι το μικρότερο σωματίδιο που έχει τη σύνθεση και τις χημικές ιδιότητες της ίδιας της ουσίας. Έτσι, οι ιδιότητες των μορίων από την άποψη της χημείας καθορίζονται από τη χημική τους δομή καισύνθεση. Αλλά μόνο για ουσίες με μοριακή δομή, ο κανόνας λειτουργεί: οι χημικές ιδιότητες των ουσιών και των μορίων είναι οι ίδιες. Για ορισμένα πολυμερή, όπως το αιθυλένιο και το πολυαιθυλένιο, η σύνθεση δεν ταιριάζει με τη μοριακή σύνθεση.
Είναι γνωστό ότι οι ιδιότητες των μορίων καθορίζονται όχι μόνο από τον αριθμό των ατόμων, τον τύπο τους, αλλά και από τη διαμόρφωση, τη σειρά σύνδεσης. Ένα μόριο είναι μια σύνθετη αρχιτεκτονική δομή, όπου κάθε στοιχείο στέκεται στη θέση του και έχει τους συγκεκριμένους γείτονές του. Η ατομική δομή μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο άκαμπτη. Κάθε άτομο δονείται γύρω από τη θέση ισορροπίας του.
Διαμόρφωση και παράμετροι
Συμβαίνει κάποια μέρη του μορίου να περιστρέφονται σε σχέση με άλλα μέρη. Έτσι, στη διαδικασία της θερμικής κίνησης, ένα ελεύθερο μόριο παίρνει περίεργα σχήματα (διαμορφώσεις).
Βασικά, οι ιδιότητες των μορίων καθορίζονται από τον δεσμό (τον τύπο του) μεταξύ των ατόμων και την αρχιτεκτονική του ίδιου του μορίου (δομή, σχήμα). Έτσι, πρώτα απ 'όλα, η γενική χημική θεωρία εξετάζει τους χημικούς δεσμούς και βασίζεται στις ιδιότητες των ατόμων.
Με ισχυρή πολικότητα, οι ιδιότητες των μορίων είναι δύσκολο να περιγραφούν με συσχετίσεις δύο ή τριών σταθερών, οι οποίες είναι εξαιρετικές για μη πολικά μόρια. Επομένως, εισήχθη μια πρόσθετη παράμετρος με διπολική ροπή. Αλλά αυτή η μέθοδος δεν είναι πάντα επιτυχημένη, καθώς τα πολικά μόρια έχουν μεμονωμένα χαρακτηριστικά. Έχουν επίσης προταθεί παράμετροι για να λάβουν υπόψη τα κβαντικά φαινόμενα, τα οποία είναι σημαντικά σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Τι γνωρίζουμε για το μόριο της πιο κοινής ουσίας στη Γη;
Από όλες τις ουσίες στον πλανήτη μας, η πιο κοινή είναι το νερό. Με την κυριολεκτική έννοια, παρέχει ζωή για οτιδήποτε υπάρχει στη Γη. Μόνο οι ιοί μπορούν να το κάνουν χωρίς αυτό, οι υπόλοιπες ζωντανές δομές στη σύνθεσή τους ως επί το πλείστον έχουν νερό. Ποιες ιδιότητες του μορίου του νερού, χαρακτηριστικές μόνο του, χρησιμοποιούνται στην οικονομική ζωή του ανθρώπου και στην άγρια ζωή της Γης;
Εξάλλου, αυτή είναι μια πραγματικά μοναδική ουσία! Καμία άλλη ουσία δεν μπορεί να καυχηθεί για ένα σύνολο ιδιοτήτων που είναι εγγενείς στο νερό.
Το νερό είναι ο κύριος διαλύτης στη φύση. Όλες οι αντιδράσεις που συμβαίνουν σε ζωντανούς οργανισμούς, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, συμβαίνουν στο υδάτινο περιβάλλον. Δηλαδή, οι ουσίες εισέρχονται σε αντιδράσεις ενώ βρίσκονται σε διαλυμένη κατάσταση.
Το νερό έχει εξαιρετική θερμοχωρητικότητα, αλλά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Χάρη σε αυτές τις ιδιότητες, μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε ως μεταφορά θερμότητας. Αυτή η αρχή περιλαμβάνεται στον μηχανισμό ψύξης ενός μεγάλου αριθμού οργανισμών. Στη βιομηχανία πυρηνικής ενέργειας, οι ιδιότητες του μορίου του νερού οδήγησαν στη χρήση αυτής της ουσίας ως ψυκτικού. Εκτός από την πιθανότητα να είναι αντιδραστικό μέσο για άλλες ουσίες, το ίδιο το νερό μπορεί να εισέλθει σε αντιδράσεις: φωτόλυση, ενυδάτωση και άλλες.
Το φυσικό καθαρό νερό είναι ένα άοσμο, άχρωμο και άγευστο υγρό. Αλλά σε πάχος στρώσης μεγαλύτερο από 2 μέτρα, το χρώμα γίνεται μπλε.
Ολόκληρο το μόριο του νερού είναι ένα δίπολο (δύο αντίθετοι πόλοι). Είναι η δομή του διπόλου σεκαθορίζει κυρίως τις ασυνήθιστες ιδιότητες αυτής της ουσίας. Το μόριο του νερού είναι ένας διαμαγνήτης.
Το μεταλλικό νερό έχει μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα: το μόριο του αποκτά τη δομή της χρυσής αναλογίας και η δομή της ουσίας αποκτά τις αναλογίες της χρυσής τομής. Πολλές από τις ιδιότητες του μορίου του νερού έχουν τεκμηριωθεί με την ανάλυση της απορρόφησης και της εκπομπής ριγέ φασμάτων στην αέρια φάση.
Επιστήμη και μοριακές ιδιότητες
Όλες οι ουσίες, εκτός από τις χημικές, έχουν τις φυσικές ιδιότητες των μορίων που αποτελούν τη δομή τους.
Στη φυσική επιστήμη, η έννοια των μορίων χρησιμοποιείται για να εξηγήσει τις ιδιότητες των στερεών, των υγρών και των αερίων. Η ικανότητα διάχυσης όλων των ουσιών, το ιξώδες, η θερμική αγωγιμότητα και άλλες ιδιότητες καθορίζονται από την κινητικότητα των μορίων. Όταν ο Γάλλος φυσικός Jean Perrin μελετούσε την κίνηση Brown, απέδειξε πειραματικά την ύπαρξη μορίων. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί υπάρχουν λόγω μιας λεπτώς ισορροπημένης εσωτερικής αλληλεπίδρασης στη δομή. Όλες οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των ουσιών είναι θεμελιώδους σημασίας για τη φυσική επιστήμη. Η ανάπτυξη της φυσικής, της χημείας, της βιολογίας και της μοριακής φυσικής οδήγησε σε μια τέτοια επιστήμη όπως η μοριακή βιολογία, η οποία μελετά τα βασικά φαινόμενα στη ζωή.
Χρησιμοποιώντας τη στατιστική θερμοδυναμική, οι φυσικές ιδιότητες των μορίων, οι οποίες προσδιορίζονται με μοριακή φασματοσκοπία, στη φυσική χημεία καθορίζουν τις θερμοδυναμικές ιδιότητες των ουσιών που είναι απαραίτητες για τον υπολογισμό της χημικής ισορροπίας και τους ρυθμούς εγκαθίδρυσής τους.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των ιδιοτήτων των ατόμων και των μορίων;
Πρώτα απ' όλα, τα άτομα δεν εμφανίζονται σε ελεύθερη κατάσταση.
Τα μόρια έχουν πλουσιότερα οπτικά φάσματα. Αυτό οφείλεται στη χαμηλότερη συμμετρία του συστήματος και στην εμφάνιση της πιθανότητας νέων περιστροφών και ταλαντώσεων των πυρήνων. Για ένα μόριο, η συνολική ενέργεια αποτελείται από τρεις ενέργειες που είναι διαφορετικές κατά σειρά μεγέθους των συστατικών:
- ηλεκτρονικό κέλυφος (οπτική ή υπεριώδης ακτινοβολία);
- δονήσεις πυρήνων (υπέρυθρο μέρος του φάσματος);
- περιστροφή του μορίου στο σύνολό του (εύρος ραδιοσυχνοτήτων).
Τα άτομα εκπέμπουν χαρακτηριστικά φάσματα γραμμής, ενώ τα μόρια εκπέμπουν ριγέ φάσματα που αποτελούνται από πολλές γραμμές σε κοντινή απόσταση.
Φασματική ανάλυση
Οπτικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές και άλλες ιδιότητες ενός μορίου καθορίζονται επίσης από τη σύνδεση με τις κυματικές συναρτήσεις. Τα δεδομένα για τις καταστάσεις των μορίων και την πιθανή μετάβαση μεταξύ τους δείχνουν μοριακά φάσματα.
Μεταπτώσεις (ηλεκτρονικές) στα μόρια δείχνουν χημικούς δεσμούς και τη δομή των ηλεκτρονίων τους. Τα φάσματα με περισσότερες συνδέσεις έχουν ζώνες απορρόφησης μεγάλου μήκους κύματος που εμπίπτουν στην ορατή περιοχή. Εάν μια ουσία είναι κατασκευασμένη από τέτοια μόρια, έχει ένα χαρακτηριστικό χρώμα. Αυτές είναι όλες οργανικές βαφές.
Οι ιδιότητες των μορίων της ίδιας ουσίας είναι ίδιες σε όλες τις καταστάσεις συσσωμάτωσης. Αυτό σημαίνει ότι στις ίδιες ουσίες, οι ιδιότητες των μορίων των υγρών, αέριων ουσιών δεν διαφέρουν από τις ιδιότητες του στερεού. Το μόριο μιας ουσίας έχει πάντα την ίδια δομή, ανεξάρτητα από τοαθροιστική κατάσταση της ίδιας της ύλης.
Ηλεκτρικά δεδομένα
Ο τρόπος που συμπεριφέρεται μια ουσία σε ένα ηλεκτρικό πεδίο καθορίζεται από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των μορίων: ικανότητα πόλωσης και μόνιμη διπολική ροπή.
Διπολική ροπή είναι η ηλεκτρική ασυμμετρία ενός μορίου. Τα μόρια που έχουν κέντρο συμμετρίας όπως το H2 δεν έχουν μόνιμη διπολική ροπή. Η ικανότητα του ηλεκτρονιακού κελύφους ενός μορίου να κινείται υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, ως αποτέλεσμα του οποίου σχηματίζεται σε αυτό μια επαγόμενη διπολική ροπή, είναι η πόλωση. Για να βρείτε την τιμή της πόλωσης και της διπολικής ροπής, είναι απαραίτητο να μετρήσετε τη διαπερατότητα.
Η συμπεριφορά ενός φωτεινού κύματος σε ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο χαρακτηρίζεται από τις οπτικές ιδιότητες μιας ουσίας, οι οποίες καθορίζονται από την ικανότητα πόλωσης ενός μορίου αυτής της ουσίας. Άμεσα συνδεδεμένα με την πολωσιμότητα είναι: η σκέδαση, η διάθλαση, η οπτική δραστηριότητα και άλλα φαινόμενα της μοριακής οπτικής.
Μπορεί κανείς να ακούσει συχνά την ερώτηση: "Από τι, εκτός από τα μόρια, εξαρτώνται οι ιδιότητες μιας ουσίας;" Η απάντηση είναι αρκετά απλή.
Οι ιδιότητες των ουσιών, εκτός από την ισομετρία και την κρυσταλλική δομή, καθορίζονται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, την ίδια την ουσία, την πίεση, την παρουσία ακαθαρσιών.
Χημεία μορίων
Πριν από το σχηματισμό της επιστήμης της κβαντικής μηχανικής, η φύση των χημικών δεσμών στα μόρια ήταν ένα άλυτο μυστήριο. Η κλασική φυσική εξηγεί την κατευθυντικότητα καικορεσμός των δεσμών σθένους δεν μπορούσε. Μετά τη δημιουργία βασικών θεωρητικών πληροφοριών για τον χημικό δεσμό (1927) χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του απλούστερου μορίου Η2, η θεωρία και οι μέθοδοι υπολογισμού άρχισαν σταδιακά να βελτιώνονται. Για παράδειγμα, με βάση την ευρεία χρήση της μεθόδου των μοριακών τροχιακών, την κβαντική χημεία, κατέστη δυνατός ο υπολογισμός των διατομικών αποστάσεων, η ενέργεια των μορίων και των χημικών δεσμών, η κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων και άλλα δεδομένα που συνέπιπταν πλήρως με τα πειραματικά δεδομένα.
Ουσίες με την ίδια σύνθεση, αλλά διαφορετική χημική δομή και διαφορετικές ιδιότητες, ονομάζονται δομικά ισομερή. Έχουν διαφορετικούς δομικούς τύπους, αλλά τους ίδιους μοριακούς τύπους.
Είναι γνωστοί διαφορετικοί τύποι δομικού ισομερισμού. Οι διαφορές βρίσκονται στη δομή του σκελετού άνθρακα, στη θέση της λειτουργικής ομάδας ή στη θέση του πολλαπλού δεσμού. Επιπλέον, υπάρχουν ακόμη χωρικά ισομερή στα οποία οι ιδιότητες ενός μορίου ουσίας χαρακτηρίζονται από την ίδια σύνθεση και χημική δομή. Επομένως, τόσο οι δομικοί όσο και οι μοριακοί τύποι είναι ίδιοι. Οι διαφορές έγκεινται στο χωρικό σχήμα του μορίου. Χρησιμοποιούνται ειδικοί τύποι για την αναπαράσταση διαφορετικών χωρικών ισομερών.
Υπάρχουν ενώσεις που ονομάζονται ομόλογες. Είναι παρόμοια στη δομή και τις ιδιότητες, αλλά διαφέρουν στη σύνθεση κατά μία ή περισσότερες ομάδες CH2. Όλες οι ουσίες παρόμοιες σε δομή και ιδιότητες συνδυάζονται σε ομόλογες σειρές. Έχοντας μελετήσει τις ιδιότητες ενός ομολόγου, μπορεί κανείς να συλλογιστεί για οποιοδήποτε άλλο από αυτά. Το σύνολο των ομολόγων είναι μια ομόλογη σειρά.
Όταν μετασχηματίζουμε τις δομές της ύληςοι χημικές ιδιότητες των μορίων αλλάζουν δραματικά. Ακόμη και οι απλούστερες ενώσεις χρησιμεύουν ως παράδειγμα: το μεθάνιο, όταν συνδυάζεται έστω και με ένα άτομο οξυγόνου, γίνεται ένα δηλητηριώδες υγρό που ονομάζεται μεθανόλη (μεθυλική αλκοόλη - CH3OH). Αντίστοιχα, η χημική του συμπληρωματικότητα και η επίδρασή του στους ζωντανούς οργανισμούς γίνονται διαφορετικά. Παρόμοιες αλλά πιο περίπλοκες αλλαγές συμβαίνουν κατά την τροποποίηση των δομών των βιομορίων.
Οι χημικές μοριακές ιδιότητες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη δομή και τις ιδιότητες των μορίων: από τους ενεργειακούς δεσμούς σε αυτά και τη γεωμετρία του ίδιου του μορίου. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα σε βιολογικά ενεργές ενώσεις. Το ποια ανταγωνιστική αντίδραση θα είναι κυρίαρχη καθορίζεται συχνά μόνο από χωρικούς παράγοντες, οι οποίοι με τη σειρά τους εξαρτώνται από τα αρχικά μόρια (τη διαμόρφωσή τους). Ένα μόριο με "άβολη" διαμόρφωση δεν θα αντιδράσει καθόλου, ενώ ένα άλλο με την ίδια χημική σύνθεση αλλά διαφορετική γεωμετρία μπορεί να αντιδράσει αμέσως.
Ένας μεγάλος αριθμός βιολογικών διεργασιών που παρατηρούνται κατά την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή σχετίζονται με τις γεωμετρικές σχέσεις μεταξύ των προϊόντων της αντίδρασης και των πρώτων υλών. Προς ενημέρωσή σας: η δράση ενός σημαντικού αριθμού νέων φαρμάκων βασίζεται σε παρόμοια μοριακή δομή μιας ένωσης που είναι επιβλαβής από βιολογική άποψη για τον ανθρώπινο οργανισμό. Το φάρμακο αντικαθιστά το επιβλαβές μόριο και δυσκολεύει τη δράση.
Με τη βοήθεια χημικών τύπων εκφράζονται η σύσταση και οι ιδιότητες των μορίων διαφορετικών ουσιών. Με βάση το μοριακό βάρος, τη χημική ανάλυση, καθορίζεται και συντάσσεται η ατομική αναλογίαεμπειρικός τύπος.
Γεωμετρία
Ο προσδιορισμός της γεωμετρικής δομής ενός μορίου γίνεται λαμβάνοντας υπόψη τη διάταξη ισορροπίας των ατομικών πυρήνων. Η ενέργεια αλληλεπίδρασης των ατόμων εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ των πυρήνων των ατόμων. Σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, αυτή η ενέργεια είναι μηδενική. Καθώς τα άτομα πλησιάζουν το ένα το άλλο, ένας χημικός δεσμός αρχίζει να σχηματίζεται. Τότε τα άτομα έλκονται έντονα μεταξύ τους.
Αν υπάρχει ασθενής έλξη, τότε ο σχηματισμός χημικού δεσμού δεν είναι απαραίτητος. Εάν τα άτομα αρχίσουν να πλησιάζουν σε πιο κοντινές αποστάσεις, αρχίζουν να ενεργούν ηλεκτροστατικές απωστικές δυνάμεις μεταξύ των πυρήνων. Ένα εμπόδιο σε μια ισχυρή σύγκλιση των ατόμων είναι η ασυμβατότητα των εσωτερικών τους φλοιών ηλεκτρονίων.
Μεγέθη
Είναι αδύνατο να δεις μόρια με γυμνό μάτι. Είναι τόσο μικρά που ακόμη και ένα μικροσκόπιο με μεγέθυνση 1000x δεν θα μας βοηθήσει να τα δούμε. Οι βιολόγοι παρατηρούν βακτήρια τόσο μικρά όσο 0,001 mm. Αλλά τα μόρια είναι εκατοντάδες και χιλιάδες φορές μικρότερα.
Σήμερα, η δομή των μορίων μιας συγκεκριμένης ουσίας προσδιορίζεται με μεθόδους περίθλασης: περίθλαση νετρονίων, ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ. Υπάρχει επίσης η φασματοσκοπία δόνησης και η παραμαγνητική μέθοδος ηλεκτρονίων. Η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας και την κατάστασή της.
Το μέγεθος ενός μορίου είναι μια τιμή υπό όρους, λαμβάνοντας υπόψη το κέλυφος ηλεκτρονίων. Το σημείο είναι οι αποστάσεις των ηλεκτρονίων από τους ατομικούς πυρήνες. Όσο μεγαλύτερα είναι, τόσο λιγότερο πιθανό είναι να βρεθούν τα ηλεκτρόνια του μορίου. Στην πράξη, το μέγεθος των μορίων μπορεί να προσδιοριστεί λαμβάνοντας υπόψη την απόσταση ισορροπίας. Αυτό είναι το διάστημα για το οποίο τα ίδια τα μόρια μπορούν να πλησιάσουν το ένα το άλλο όταν είναι πυκνά συσκευασμένα σε έναν μοριακό κρύσταλλο και σε ένα υγρό.
Οι μεγάλες αποστάσεις έχουν μόρια να προσελκύουν και οι μικρές, αντίθετα, να απωθούνται. Επομένως, η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ των μοριακών κρυστάλλων βοηθά στην εύρεση των διαστάσεων του μορίου. Χρησιμοποιώντας τον συντελεστή διάχυσης, τη θερμική αγωγιμότητα και το ιξώδες των αερίων, καθώς και την πυκνότητα μιας ουσίας σε συμπυκνωμένη κατάσταση, μπορεί κανείς να προσδιορίσει την τάξη μεγέθους των μοριακών μεγεθών.
