Bizi çevreleyen tüm cisimler atomlardan oluşur. Atomlar da bir araya gelerek bir molekül oluşturur. Moleküler yapıdaki farklılıktan dolayı, özelliklerine ve parametrelerine göre birbirinden farklı maddeler hakkında konuşulabilir. Moleküller ve atomlar her zaman dinamik bir durumdadır. Hareket ederken, hala farklı yönlere dağılmazlar, ancak etrafımızdaki tüm dünyada bu kadar çok çeşitli maddelerin varlığına borçlu olduğumuz belirli bir yapıda tutulurlar. Bu parçacıklar nelerdir ve özellikleri nelerdir?
Genel kavramlar
Kuantum mekaniği teorisinden yola çıkarsak, o zaman molekül atomlardan değil, sürekli olarak birbirleriyle etkileşime giren çekirdek ve elektronlardan oluşur.
Bazı maddeler için molekül, maddenin bileşimine ve kimyasal özelliklerine sahip en küçük parçacıktır. Bu nedenle, kimya açısından moleküllerin özellikleri, kimyasal yapısı ve kimyasal yapısı ile belirlenir.kompozisyon. Ancak sadece moleküler yapıya sahip maddeler için kural işe yarar: maddelerin ve moleküllerin kimyasal özellikleri aynıdır. Etilen ve polietilen gibi bazı polimerler için bileşim moleküler bileşimle eşleşmez.
Moleküllerin özelliklerinin sadece atom sayısı ve tipi ile değil, aynı zamanda konfigürasyon, bağlantı sırası ile belirlendiği bilinmektedir. Molekül, her bir elemanın yerinde durduğu ve kendine özgü komşularının bulunduğu karmaşık bir mimari yapıdır. Atomik yapı az ya da çok katı olabilir. Her atom kendi denge konumu etrafında titreşir.
Yapılandırma ve parametreler
Molekülün bazı kısımları diğer kısımlara göre dönüyor. Böylece, termal hareket sürecinde, serbest bir molekül tuhaf şekiller (konfigürasyonlar) alır.
Temel olarak, moleküllerin özellikleri, atomlar arasındaki bağ (tipi) ve molekülün kendisinin mimarisi (yapı, şekil) tarafından belirlenir. Bu nedenle, her şeyden önce, genel kimya teorisi kimyasal bağları dikkate alır ve atomların özelliklerine dayanır.
Güçlü bir polariteyle, moleküllerin özelliklerini polar olmayan moleküller için mükemmel olan iki veya üç sabit korelasyonlarla açıklamak zordur. Bu nedenle, dipol momentli ek bir parametre tanıtıldı. Ancak bu yöntem her zaman başarılı değildir, çünkü polar moleküller bireysel özelliklere sahiptir. Düşük sıcaklıklarda önemli olan kuantum etkilerini hesaba katan parametreler de önerilmiştir.
Dünyadaki en yaygın maddenin molekülü hakkında ne biliyoruz?
Gezegenimizdeki tüm maddeler arasında en yaygın olanı sudur. Kelimenin tam anlamıyla, Dünya'da var olan her şeye yaşam sağlar. Sadece virüsler onsuz yapabilir, bileşimlerindeki canlı yapıların geri kalanı çoğunlukla suya sahiptir. Su molekülünün, yalnızca kendisine özgü olan hangi özellikleri, insanın ekonomik yaşamında ve Dünya'nın vahşi yaşamında kullanılır?
Sonuçta, bu gerçekten eşsiz bir madde! Başka hiçbir madde suyun doğasında bulunan bir dizi özelliğe sahip olamaz.
Su, doğadaki ana çözücüdür. Canlı organizmalarda meydana gelen tüm reaksiyonlar, şu veya bu şekilde su ortamında meydana gelir. Yani maddeler çözünmüş haldeyken tepkimeye girerler.
Su mükemmel bir ısı kapasitesine sahiptir, ancak ısı iletkenliği düşüktür. Bu özellikleri sayesinde ısı taşıyıcı olarak kullanabiliriz. Bu ilke, çok sayıda organizmanın soğutma mekanizmasına dahildir. Nükleer enerji endüstrisinde, su molekülünün özellikleri, bu maddenin soğutucu olarak kullanılmasına yol açmıştır. Diğer maddeler için reaktif bir ortam olma olasılığına ek olarak, suyun kendisi de reaksiyonlara girebilir: fotoliz, hidrasyon ve diğerleri.
Doğal saf su kokusuz, renksiz ve tatsız bir sıvıdır. Ancak 2 metreden daha kalın bir katmanda renk mavimsi olur.
Bütün su molekülü bir dipoldür (iki zıt kutup). dipol yapısıdıresas olarak bu maddenin olağandışı özelliklerini belirler. Su molekülü bir diamagnettir.
Metal suyun bir başka ilginç özelliği daha vardır: molekülü altın oranın yapısını, maddenin yapısı ise altın bölümün oranlarını alır. Su molekülünün özelliklerinin çoğu, gaz fazında çizgili spektrumların emilimi ve emisyonu analiz edilerek oluşturulmuştur.
Bilim ve moleküler özellikler
Kimyasal olanlar dışındaki tüm maddeler, yapılarını oluşturan moleküllerin fiziksel özelliklerine sahiptir.
Fizik biliminde molekül kavramı katıların, sıvıların ve gazların özelliklerini açıklamak için kullanılır. Tüm maddelerin yayılma yeteneği, viskoziteleri, termal iletkenlikleri ve diğer özellikleri moleküllerin hareketliliği ile belirlenir. Fransız fizikçi Jean Perrin, Brownian hareketini incelerken, moleküllerin varlığını deneysel olarak kanıtladı. Tüm canlı organizmalar, yapıdaki ince dengelenmiş bir iç etkileşim nedeniyle var olurlar. Maddelerin tüm kimyasal ve fiziksel özellikleri doğa bilimleri için temel öneme sahiptir. Fizik, kimya, biyoloji ve moleküler fiziğin gelişimi, hayattaki temel fenomenleri inceleyen moleküler biyoloji gibi bir bilime yol açtı.
İstatistiksel termodinamik kullanarak, fiziksel kimyada moleküler spektroskopi ile belirlenen moleküllerin fiziksel özellikleri, kimyasal dengeleri hesaplamak için gerekli maddelerin termodinamik özelliklerini ve kuruluş hızlarını belirler.
Atomların ve moleküllerin özellikleri arasındaki fark nedir?
Birincisi, atomlar serbest halde oluşmazlar.
Moleküller daha zengin optik spektrumlara sahiptir. Bunun nedeni, sistemin daha düşük simetrisi ve çekirdeklerin yeni rotasyonları ve salınımları olasılığının ortaya çıkmasıdır. Bir molekül için toplam enerji, bileşenlerin büyüklük sırasına göre farklı olan üç enerjiden oluşur:
- elektronik kabuk (optik veya ultraviyole radyasyon);
- çekirdek titreşimleri (spektrumun kızılötesi kısmı);
- molekülün bir bütün olarak dönmesi (radyo frekans aralığı).
Atomlar karakteristik çizgi spektrumları yayarlar, moleküller ise birbirine yakın birçok çizgiden oluşan çizgili spektrumlar yayar.
Spektral analiz
Molekülün optik, elektrik, manyetik ve diğer özellikleri de dalga fonksiyonlarıyla olan bağlantısıyla belirlenir. Moleküllerin durumları ve aralarındaki olası geçiş hakkındaki veriler moleküler spektrumları gösterir.
Moleküllerdeki geçişler (elektronik), kimyasal bağları ve elektron kabuklarının yapısını gösterir. Daha fazla bağlantıya sahip spektrumlar, görünür bölgeye düşen uzun dalga boyu absorpsiyon bantlarına sahiptir. Bir madde bu tür moleküllerden yapılmışsa, karakteristik bir renge sahiptir. Bunların hepsi organik boyalardır.
Aynı maddenin moleküllerinin özellikleri, kümelenmenin tüm hallerinde aynıdır. Bu, aynı maddelerde, sıvı, gaz halindeki maddelerin moleküllerinin özelliklerinin katının özelliklerinden farklı olmadığı anlamına gelir. Bir maddenin molekülü, ne olursa olsun her zaman aynı yapıya sahiptir.maddenin kendisinin toplam hali.
Elektrik verileri
Bir maddenin elektrik alanında nasıl davrandığı, moleküllerin elektriksel özellikleri tarafından belirlenir: polarize edilebilirlik ve kalıcı dipol momenti.
Dipol moment, bir molekülün elektriksel asimetrisidir. H2 gibi bir simetri merkezine sahip moleküllerin kalıcı bir dipol momenti yoktur. Bir molekülün elektron kabuğunun, içinde indüklenmiş bir dipol momentinin oluşmasının bir sonucu olarak bir elektrik alanının etkisi altında hareket etme yeteneği polarize edilebilirliktir. Polarize edilebilirlik ve dipol momentinin değerini bulmak için geçirgenliği ölçmek gerekir.
Bir ışık dalgasının alternatif bir elektrik alanındaki davranışı, bu maddenin bir molekülünün polarize edilebilirliği ile belirlenen bir maddenin optik özellikleri ile karakterize edilir. Polarize edilebilirlik ile doğrudan ilişkilidir: saçılma, kırılma, optik aktivite ve moleküler optiğin diğer fenomenleri.
Kişi sık sık şu soruyu duyabilir: "Bir maddenin özellikleri, moleküllerin yanı sıra neye bağlıdır?" Cevap oldukça basit.
İzometri ve kristal yapı dışındaki maddelerin özellikleri ortamın sıcaklığı, maddenin kendisi, basınç, safsızlıkların varlığı ile belirlenir.
Moleküllerin kimyası
Kuantum mekaniği biliminin oluşumundan önce, moleküllerdeki kimyasal bağların doğası çözülmemiş bir gizemdi. Klasik fizik yönlülüğü açıklar vedeğerlik bağlarının doygunluğu olamazdı. En basit H2 molekülü örneği kullanılarak kimyasal bağ (1927) hakkında temel teorik bilgilerin oluşturulmasından sonra, teori ve hesaplama yöntemleri yavaş yavaş geliştirilmeye başlandı. Örneğin, moleküler orbitaller yönteminin, kuantum kimyasının yaygın kullanımına dayanarak, atomlar arası mesafeleri, moleküllerin ve kimyasal bağların enerjisini, elektron yoğunluğunun dağılımını ve tamamen deneysel verilerle çakışan diğer verileri hesaplamak mümkün hale geldi.
Aynı bileşime, ancak kimyasal yapıya ve farklı özelliklere sahip maddelere yapısal izomerler denir. Farklı yapısal formülleri var ama moleküler formülleri aynı.
Farklı yapısal izomerizm türleri bilinmektedir. Farklılıklar karbon iskeletinin yapısında, fonksiyonel grubun pozisyonunda veya çoklu bağın pozisyonunda yatmaktadır. Ek olarak, hala bir madde molekülünün özelliklerinin aynı bileşim ve kimyasal yapı ile karakterize edildiği uzaysal izomerler vardır. Bu nedenle, hem yapısal hem de moleküler formüller aynıdır. Farklılıklar, molekülün uzamsal şeklinde yatmaktadır. Farklı uzaysal izomerleri temsil etmek için özel formüller kullanılır.
Homolog denilen bileşikler var. Yapı ve özellikler bakımından benzerdirler, ancak bileşimlerinde bir veya daha fazla CH2 grubu ile farklılık gösterirler. Yapı ve özellik bakımından benzer tüm maddeler homolog seriler halinde birleştirilir. Bir homologun özelliklerini inceledikten sonra, herhangi biri hakkında akıl yürütebilir. Homologlar kümesi homolog bir seridir.
Maddenin yapılarını dönüştürürkenMoleküllerin kimyasal özellikleri önemli ölçüde değişir. En basit bileşikler bile örnek teşkil eder: metan, bir oksijen atomuyla bile birleştiğinde metanol (metil alkol - CH3OH) adı verilen zehirli bir sıvı haline gelir. Buna göre kimyasal tamamlayıcılığı ve canlı organizmalar üzerindeki etkisi farklılaşır. Biyomoleküllerin yapılarını değiştirirken benzer ancak daha karmaşık değişiklikler meydana gelir.
Kimyasal moleküler özellikler, büyük ölçüde moleküllerin yapısına ve özelliklerine bağlıdır: içindeki enerji bağlarına ve molekülün kendisinin geometrisine. Bu özellikle biyolojik olarak aktif bileşikler için geçerlidir. Hangi rakip reaksiyonun baskın olacağı, genellikle sadece başlangıçtaki moleküllere (konfigürasyonlarına) bağlı olan uzaysal faktörler tarafından belirlenir. "Rahatsız edici" bir konfigürasyona sahip bir molekül hiç reaksiyona girmezken, aynı kimyasal bileşime sahip ancak farklı bir geometriye sahip başka bir molekül anında reaksiyona girebilir.
Büyüme ve üreme sırasında gözlemlenen çok sayıda biyolojik süreç, reaksiyon ürünleri ve başlangıç malzemeleri arasındaki geometrik ilişkilerle ilişkilidir. Bilginize: Önemli sayıda yeni ilacın etkisi, biyolojik açıdan insan vücudu için zararlı olan bir bileşiğin benzer moleküler yapısına dayanmaktadır. İlaç zararlı molekülün yerini alır ve harekete geçmesini zorlaştırır.
Kimyasal formüller yardımıyla farklı maddelerin moleküllerinin bileşimi ve özellikleri ifade edilir. Molekül ağırlığı, kimyasal analiz, atom oranı temel alınarak kurulur ve derlenirampirik formül.
Geometri
Bir molekülün geometrik yapısının belirlenmesi, atom çekirdeğinin denge düzeni dikkate alınarak yapılır. Atomların etkileşim enerjisi, atom çekirdekleri arasındaki mesafeye bağlıdır. Çok uzak mesafelerde bu enerji sıfırdır. Atomlar birbirine yaklaştıkça kimyasal bir bağ oluşmaya başlar. Sonra atomlar güçlü bir şekilde birbirlerine çekilirler.
Zayıf bir çekim varsa, o zaman kimyasal bağ oluşumu gerekli değildir. Atomlar daha yakın mesafelerde yaklaşmaya başlarsa, çekirdekler arasında elektrostatik itici kuvvetler hareket etmeye başlar. Atomların güçlü bir şekilde yakınsamasının önündeki bir engel, iç elektron kabuklarının uyumsuzluğudur.
Boyutlar
Molekülleri çıplak gözle görmek imkansızdır. O kadar küçüktürler ki 1000x büyütmeli bir mikroskop bile onları görmemize yardımcı olmaz. Biyologlar 0,001 mm kadar küçük bakterileri gözlemlerler. Ancak moleküller yüzlerce ve binlerce kez daha küçüktür.
Bugün, belirli bir maddenin moleküllerinin yapısı kırınım yöntemleriyle belirlenir: nötron kırınımı, X-ışını kırınım analizi. Ayrıca titreşim spektroskopisi ve elektron paramanyetik yöntemi de vardır. Yöntem seçimi, maddenin türüne ve durumuna bağlıdır.
Bir molekülün boyutu, elektron kabuğunu hesaba katan koşullu bir değerdir. Nokta, elektronların atom çekirdeğinden uzaklıklarıdır. Ne kadar büyüklerse, molekülün elektronlarını bulma olasılıkları o kadar az olur. Pratikte moleküllerin boyutu denge mesafesi dikkate alınarak belirlenebilir. Bu, moleküler bir kristal ve bir sıvı içinde yoğun bir şekilde paketlendiğinde moleküllerin kendilerinin birbirlerine yaklaşabilecekleri aralıktır.
Büyük mesafelerin çekecek molekülleri, küçük mesafelerin ise tam tersine itecek molekülleri vardır. Bu nedenle moleküler kristallerin X-ışını kırınım analizi, molekülün boyutlarının bulunmasına yardımcı olur. Gazların difüzyon katsayısı, termal iletkenliği ve viskozitesinin yanı sıra yoğunlaştırılmış haldeki bir maddenin yoğunluğunu kullanarak, moleküler boyutların büyüklük sırasını belirleyebilir.
