ყველა სხეული, რომელიც ჩვენს გარშემოა, შედგება ატომებისგან. ატომები, თავის მხრივ, იკრიბებიან მოლეკულად. მოლეკულური სტრუქტურის განსხვავებულობის გამო შეიძლება ვისაუბროთ ერთმანეთისგან განსხვავებულ ნივთიერებებზე, მათი თვისებებისა და პარამეტრების მიხედვით. მოლეკულები და ატომები ყოველთვის დინამიურ მდგომარეობაში არიან. მოძრაობს, ისინი ჯერ კიდევ არ იფანტებიან სხვადასხვა მიმართულებით, მაგრამ იკავებენ გარკვეულ სტრუქტურაში, რაც ჩვენ გვმართებს ნივთიერებების ასეთი უზარმაზარი მრავალფეროვნების არსებობას მთელ მსოფლიოში ჩვენს გარშემო. რა არის ეს ნაწილაკები და რა თვისებები აქვთ?
ზოგადი ცნებები
თუ დავიწყებთ კვანტური მექანიკის თეორიიდან, მაშინ მოლეკულა შედგება არა ატომებისგან, არამედ მათი ბირთვებისა და ელექტრონებისაგან, რომლებიც მუდმივად ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან.
ზოგიერთი ნივთიერებისთვის მოლეკულა არის ყველაზე პატარა ნაწილაკი, რომელსაც აქვს თავად ნივთიერების შემადგენლობა და ქიმიური თვისებები. ასე რომ, მოლეკულების თვისებები ქიმიის თვალსაზრისით განისაზღვრება მისი ქიმიური სტრუქტურით დაშემადგენლობა. მაგრამ მხოლოდ მოლეკულური სტრუქტურის მქონე ნივთიერებებზე მოქმედებს წესი: ნივთიერებებისა და მოლეკულების ქიმიური თვისებები ერთნაირია. ზოგიერთი პოლიმერისთვის, როგორიცაა ეთილენი და პოლიეთილენი, შემადგენლობა არ ემთხვევა მოლეკულურ შემადგენლობას.
ცნობილია, რომ მოლეკულების თვისებები განისაზღვრება არა მხოლოდ ატომების რაოდენობით, მათი ტიპით, არამედ კონფიგურაციით, შეერთების რიგითაც. მოლეკულა არის რთული არქიტექტურული სტრუქტურა, სადაც თითოეული ელემენტი დგას თავის ადგილზე და ჰყავს თავისი სპეციფიკური მეზობლები. ატომის სტრუქტურა შეიძლება იყოს მეტ-ნაკლებად ხისტი. თითოეული ატომი ვიბრირებს თავისი წონასწორობის პოზიციის გარშემო.
კონფიგურაცია და პარამეტრები
ეს ხდება, რომ მოლეკულის ზოგიერთი ნაწილი ბრუნავს სხვა ნაწილებთან მიმართებაში. ასე რომ, თერმული მოძრაობის პროცესში თავისუფალი მოლეკულა იღებს უცნაურ ფორმებს (კონფიგურაციებს).
ძირითადად, მოლეკულების თვისებები განისაზღვრება ატომებს შორის კავშირით (მისი ტიპით) და თავად მოლეკულის არქიტექტურით (სტრუქტურა, ფორმა). ამრიგად, უპირველეს ყოვლისა, ზოგადი ქიმიური თეორია განიხილავს ქიმიურ ბმებს და ეფუძნება ატომების თვისებებს.
ძლიერი პოლარობით, მოლეკულების თვისებები ძნელია აღწერო ორ ან სამ მუდმივ კორელაციებში, რაც შესანიშნავია არაპოლარული მოლეკულებისთვის. აქედან გამომდინარე, დაინერგა დამატებითი პარამეტრი დიპოლური მომენტით. მაგრამ ეს მეთოდი ყოველთვის არ არის წარმატებული, რადგან პოლარულ მოლეკულებს აქვთ ინდივიდუალური მახასიათებლები. ასევე შემოთავაზებულია პარამეტრები კვანტური ეფექტების გასათვალისწინებლად, რაც მნიშვნელოვანია დაბალ ტემპერატურაზე.
რა ვიცით დედამიწაზე ყველაზე გავრცელებული ნივთიერების მოლეკულის შესახებ?
ჩვენს პლანეტაზე არსებული ყველა ნივთიერებადან ყველაზე გავრცელებული წყალია. ის, პირდაპირი გაგებით, სიცოცხლეს აძლევს ყველაფერს, რაც დედამიწაზე არსებობს. მხოლოდ ვირუსებს შეუძლიათ ამის გარეშე, დანარჩენ ცოცხალ სტრუქტურებს მათი შემადგენლობით უმეტესწილად წყალი აქვთ. მხოლოდ მისთვის დამახასიათებელი წყლის მოლეკულის რა თვისებები გამოიყენება ადამიანის ეკონომიკურ ცხოვრებაში და დედამიწის ველურ ბუნებაში?
ბოლოს და ბოლოს, ეს მართლაც უნიკალური ნივთიერებაა! არცერთ სხვა ნივთიერებას არ შეუძლია დაიკვეხნოს წყლის თანდაყოლილი თვისებებით.
წყალი ბუნებაში მთავარი გამხსნელია. ყველა რეაქცია, რომელიც ხდება ცოცხალ ორგანიზმებში, ამა თუ იმ გზით, ხდება წყლის გარემოში. ანუ ნივთიერებები რეაქციებში შედიან დაშლილ მდგომარეობაში.
წყალს აქვს შესანიშნავი სითბოს ტევადობა, მაგრამ დაბალი თბოგამტარობა. ამ თვისებების წყალობით, ჩვენ შეგვიძლია გამოვიყენოთ როგორც სითბოს ტრანსპორტი. ეს პრინციპი შედის დიდი რაოდენობით ორგანიზმების გაგრილების მექანიზმში. ატომურ ენერგეტიკულ ინდუსტრიაში, წყლის მოლეკულის თვისებებმა გამოიწვია ამ ნივთიერების, როგორც გამაგრილებლის გამოყენება. გარდა იმისა, რომ შეიძლება იყოს რეაქტიული გარემო სხვა ნივთიერებებისთვის, თავად წყალი შეიძლება შევიდეს რეაქციებში: ფოტოლიზი, დატენიანება და სხვა.
ნატურალური სუფთა წყალი არის უსუნო, უფერო და უგემოვნო სითხე. მაგრამ 2 მეტრზე მეტი ფენის სისქის შემთხვევაში ფერი ხდება მოლურჯო.
მთელი წყლის მოლეკულა არის დიპოლი (ორი საპირისპირო პოლუსი). ეს არის დიპოლური სტრუქტურაძირითადად განსაზღვრავს ამ ნივთიერების უჩვეულო თვისებებს. წყლის მოლეკულა არის დიამაგნიტი.
მეტალის წყალს აქვს კიდევ ერთი საინტერესო თვისება: მისი მოლეკულა იძენს ოქროს თანაფარდობის სტრუქტურას, ხოლო ნივთიერების სტრუქტურა იძენს ოქროს მონაკვეთის პროპორციებს. წყლის მოლეკულის მრავალი თვისება დადგინდა გაზის ფაზაში ზოლიანი სპექტრების შთანთქმისა და ემისიის ანალიზით.
მეცნიერება და მოლეკულური თვისებები
ყველა ნივთიერებას, გარდა ქიმიური ნივთიერებებისა, აქვს მოლეკულების ფიზიკური თვისებები, რომლებიც ქმნიან მათ სტრუქტურას.
ფიზიკურ მეცნიერებაში მოლეკულების ცნება გამოიყენება მყარი ნივთიერებების, სითხეების და აირების თვისებების ასახსნელად. ყველა ნივთიერების დიფუზიის უნარი, მათი სიბლანტე, თბოგამტარობა და სხვა თვისებები განისაზღვრება მოლეკულების მობილურობით. როდესაც ფრანგი ფიზიკოსი ჟან პერინი სწავლობდა ბრაუნის მოძრაობას, მან ექსპერიმენტულად დაამტკიცა მოლეკულების არსებობა. ყველა ცოცხალი ორგანიზმი არსებობს სტრუქტურაში კარგად დაბალანსებული შინაგანი ურთიერთქმედების გამო. ნივთიერებების ყველა ქიმიური და ფიზიკური თვისება საბუნებისმეტყველო მეცნიერებისთვის ფუნდამენტური მნიშვნელობისაა. ფიზიკის, ქიმიის, ბიოლოგიისა და მოლეკულური ფიზიკის განვითარებამ წარმოშვა ისეთი მეცნიერება, როგორიცაა მოლეკულური ბიოლოგია, რომელიც სწავლობს ცხოვრების ძირითად მოვლენებს.
სტატისტიკური თერმოდინამიკის გამოყენებით, მოლეკულების ფიზიკური თვისებები, რომლებიც განისაზღვრება მოლეკულური სპექტროსკოპიით, ფიზიკურ ქიმიაში განსაზღვრავს ნივთიერებების თერმოდინამიკურ თვისებებს, რომლებიც აუცილებელია ქიმიური წონასწორობის გამოსათვლელად და მისი დამყარების სიჩქარით.
რა განსხვავებაა ატომებისა და მოლეკულების თვისებებს შორის?
პირველ რიგში, ატომები არ ჩნდებიან თავისუფალ მდგომარეობაში.
მოლეკულებს უფრო მდიდარი ოპტიკური სპექტრები აქვთ. ეს გამოწვეულია სისტემის ქვედა სიმეტრიით და ბირთვების ახალი ბრუნვისა და რხევების შესაძლებლობის გაჩენით. მოლეკულისთვის მთლიანი ენერგია შედგება სამი ენერგიისგან, რომლებიც განსხვავებულია კომპონენტების სიდიდის მიხედვით:
- ელექტრონული გარსი (ოპტიკური ან ულტრაიისფერი გამოსხივება);
- ბირთვების ვიბრაცია (სპექტრის ინფრაწითელი ნაწილი);
- მოლეკულის მთლიანობაში ბრუნვა (რადიოსიხშირის დიაპაზონი).
ატომები ასხივებენ დამახასიათებელ ხაზის სპექტრებს, ხოლო მოლეკულები ასხივებენ ზოლიან სპექტრებს, რომლებიც შედგება მრავალი მჭიდროდ დაშორებული ხაზისგან.
სპექტრული ანალიზი
მოლეკულის ოპტიკური, ელექტრული, მაგნიტური და სხვა თვისებები ასევე განისაზღვრება ტალღის ფუნქციებთან კავშირით. მონაცემები მოლეკულების მდგომარეობებზე და მათ შორის სავარაუდო გადასვლაზე აჩვენებს მოლეკულურ სპექტრებს.
მოლეკულებში გადასვლები (ელექტრონული) აჩვენებს ქიმიურ ბმებს და მათი ელექტრონული გარსების სტრუქტურას. მეტი კავშირის მქონე სპექტრებს აქვთ შთანთქმის გრძელი ტალღის ზოლები, რომლებიც ხვდება ხილულ რეგიონში. თუ ნივთიერება აგებულია ასეთი მოლეკულებისგან, მას აქვს დამახასიათებელი ფერი. ეს ყველაფერი ორგანული საღებავებია.
ერთი და იგივე ნივთიერების მოლეკულების თვისებები ერთნაირია აგრეგაციის ყველა მდგომარეობაში. ეს ნიშნავს, რომ იმავე ნივთიერებებში თხევადი, აირისებრი ნივთიერებების მოლეკულების თვისებები არ განსხვავდება მყარის თვისებებისგან. ერთი ნივთიერების მოლეკულას ყოველთვის აქვს იგივე სტრუქტურა, მიუხედავად იმისათვით მატერიის მთლიანი მდგომარეობა.
ელექტრული მონაცემები
ის, თუ როგორ იქცევა ნივთიერება ელექტრულ ველში, განისაზღვრება მოლეკულების ელექტრული მახასიათებლებით: პოლარიზებადობა და მუდმივი დიპოლური მომენტი.
დიპოლური მომენტი არის მოლეკულის ელექტრული ასიმეტრია. მოლეკულებს, რომლებსაც აქვთ სიმეტრიის ცენტრი, როგორიცაა H2 არ აქვთ მუდმივი დიპოლური მომენტი. მოლეკულის ელექტრონული გარსის უნარი გადაადგილდეს ელექტრული ველის გავლენით, რის შედეგადაც მასში წარმოიქმნება ინდუცირებული დიპოლური მომენტი, არის პოლარიზება. პოლარიზადობისა და დიპოლური მომენტის მნიშვნელობის საპოვნელად საჭიროა ნებართვის გაზომვა.
მსუბუქი ტალღის ქცევა ალტერნატიულ ელექტრულ ველში ხასიათდება ნივთიერების ოპტიკური თვისებებით, რომლებიც განისაზღვრება ამ ნივთიერების მოლეკულის პოლარიზებადობით. პოლარიზებასთან პირდაპირ კავშირშია: გაფანტვა, გარდატეხა, ოპტიკური აქტივობა და მოლეკულური ოპტიკის სხვა ფენომენები.
ხშირად შეიძლება მოისმინოს კითხვა: "რაზეა დამოკიდებული ნივთიერების თვისებები მოლეკულების გარდა?" პასუხი საკმაოდ მარტივია.
ნივთიერებების თვისებებს, გარდა იზომეტრიისა და კრისტალური სტრუქტურისა, განსაზღვრავს გარემოს ტემპერატურა, თავად ნივთიერება, წნევა, მინარევების არსებობა.
მოლეკულების ქიმია
კვანტური მექანიკის მეცნიერების ჩამოყალიბებამდე მოლეკულებში ქიმიური ბმების ბუნება გადაუჭრელი საიდუმლო იყო. კლასიკური ფიზიკა ხსნის მიმართულებას დავალენტური ობლიგაციების გაჯერება ვერ მოხერხდა. ქიმიური ბმის შესახებ ძირითადი თეორიული ინფორმაციის შექმნის შემდეგ (1927), უმარტივესი H2 მოლეკულის მაგალითის გამოყენებით, თეორია და გაანგარიშების მეთოდები თანდათანობით დაიხვეწა. მაგალითად, მოლეკულური ორბიტალების, კვანტური ქიმიის მეთოდის ფართო გამოყენების საფუძველზე, შესაძლებელი გახდა ატომთაშორისი მანძილების, მოლეკულების და ქიმიური ბმების ენერგიის, ელექტრონების სიმკვრივის განაწილების და სხვა მონაცემების გამოთვლა, რომლებიც მთლიანად დაემთხვა ექსპერიმენტულ მონაცემებს.
იდენტური შემადგენლობის, მაგრამ განსხვავებული ქიმიური სტრუქტურისა და განსხვავებული თვისებების მქონე ნივთიერებებს სტრუქტურული იზომერები ეწოდება. მათ აქვთ სხვადასხვა სტრუქტურული ფორმულები, მაგრამ იგივე მოლეკულური ფორმულები.
ცნობილია სტრუქტურული იზომერიზმის სხვადასხვა ტიპები. განსხვავებები მდგომარეობს ნახშირბადის ჩონჩხის სტრუქტურაში, ფუნქციური ჯგუფის პოზიციაში ან მრავალჯერადი ბმის პოზიციაში. გარდა ამისა, ჯერ კიდევ არსებობს სივრცითი იზომერები, რომლებშიც ნივთიერების მოლეკულის თვისებები ხასიათდება იგივე შემადგენლობით და ქიმიური აგებულებით. ამრიგად, სტრუქტურული და მოლეკულური ფორმულები ერთნაირია. განსხვავებები მდგომარეობს მოლეკულის სივრცულ ფორმაში. სპეციალური ფორმულები გამოიყენება სხვადასხვა სივრცული იზომერების წარმოსადგენად.
არსებობს ნაერთები, რომლებსაც ჰომოლოგები უწოდებენ. ისინი მსგავსია სტრუქტურით და თვისებებით, მაგრამ შემადგენლობით განსხვავდებიან ერთი ან მეტი CH2 ჯგუფით. სტრუქტურით და თვისებებით მსგავსი ყველა ნივთიერება გაერთიანებულია ჰომოლოგიურ სერიაში. ერთი ჰომოლოგის თვისებების შესწავლის შემდეგ, შეიძლება ვიმსჯელოთ რომელიმე მათგანზე. ჰომოლოგების ნაკრები არის ჰომოლოგიური სერია.
მატერიის სტრუქტურების გარდაქმნისასმოლეკულების ქიმიური თვისებები მკვეთრად იცვლება. უმარტივესი ნაერთებიც კი ამის მაგალითია: მეთანი, ჟანგბადის თუნდაც ერთ ატომთან შერწყმისას, ხდება მომწამვლელი სითხე, რომელსაც მეთანოლი (მეთილის სპირტი - CH3OH) ეწოდება. შესაბამისად, მისი ქიმიური კომპლემენტარულობა და გავლენა ცოცხალ ორგანიზმებზე განსხვავებული ხდება. მსგავსი, მაგრამ უფრო რთული ცვლილებები ხდება ბიომოლეკულების სტრუქტურების მოდიფიცირებისას.
ქიმიური მოლეკულური თვისებები ძლიერ არის დამოკიდებული მოლეკულების სტრუქტურასა და თვისებებზე: მასში არსებულ ენერგეტიკულ ობლიგაციებზე და თავად მოლეკულის გეომეტრიაზე. ეს განსაკუთრებით ეხება ბიოლოგიურად აქტიურ ნაერთებს. რომელი კონკურენტული რეაქცია იქნება უპირატესი, ხშირად განისაზღვრება მხოლოდ სივრცითი ფაქტორებით, რომლებიც, თავის მხრივ, დამოკიდებულია საწყის მოლეკულებზე (მათ კონფიგურაციაზე). ერთი "არასასიამოვნო" კონფიგურაციის მქონე მოლეკულა საერთოდ არ რეაგირებს, ხოლო მეორე იგივე ქიმიური შემადგენლობით, მაგრამ განსხვავებული გეომეტრიით შეიძლება მომენტალურად რეაგირებდეს.
ზრდისა და გამრავლების დროს დაფიქსირებული ბიოლოგიური პროცესების დიდი რაოდენობა დაკავშირებულია რეაქციის პროდუქტებსა და საწყის მასალებს შორის გეომეტრიულ კავშირებთან. თქვენი ინფორმაციისთვის: ახალი წამლების მნიშვნელოვანი რაოდენობის მოქმედება ეფუძნება ნაერთის მსგავს მოლეკულურ სტრუქტურას, რომელიც საზიანოა ბიოლოგიური თვალსაზრისით ადამიანის ორგანიზმისთვის. პრეპარატი იკავებს მავნე მოლეკულის ადგილს და ართულებს მოქმედებას.
ქიმიური ფორმულების დახმარებით გამოიხატება სხვადასხვა ნივთიერების მოლეკულების შემადგენლობა და თვისებები. მოლეკულური წონის, ქიმიური ანალიზის საფუძველზე დგინდება და შედგენილია ატომური თანაფარდობაემპირიული ფორმულა.
გეომეტრია
მოლეკულის გეომეტრიული სტრუქტურის განსაზღვრა ხდება ატომის ბირთვების წონასწორული განლაგების გათვალისწინებით. ატომების ურთიერთქმედების ენერგია დამოკიდებულია ატომების ბირთვებს შორის მანძილზე. ძალიან დიდ დისტანციებზე ეს ენერგია ნულის ტოლია. როდესაც ატომები ერთმანეთს უახლოვდება, ქიმიური ბმა იწყება. შემდეგ ატომები ძლიერად იზიდავს ერთმანეთს.
თუ არის სუსტი მიზიდულობა, მაშინ ქიმიური ბმის ფორმირება საჭირო არ არის. თუ ატომები იწყებენ მიახლოებას უფრო ახლო დისტანციებზე, ბირთვებს შორის იწყებენ მოქმედებას ელექტროსტატიკური ამაღელვებელი ძალები. ატომების ძლიერი კონვერგენციის დაბრკოლება მათი შიდა ელექტრონული გარსების შეუთავსებლობაა.
ზომები
შეუძლებელია მოლეკულების დანახვა შეუიარაღებელი თვალით. ისინი იმდენად მცირეა, რომ 1000x გადიდების მიკროსკოპიც კი არ დაგვეხმარება მათ დანახვაში. ბიოლოგები აკვირდებიან 0,001 მმ ბაქტერიებს. მაგრამ მოლეკულები ასობით და ათასობით ჯერ უფრო მცირეა.
დღეს გარკვეული ნივთიერების მოლეკულების აგებულებას ადგენენ დიფრაქციული მეთოდებით: ნეიტრონული დიფრაქციით, რენტგენის დიფრაქციული ანალიზით. ასევე არსებობს ვიბრაციული სპექტროსკოპია და ელექტრონული პარამაგნიტური მეთოდი. მეთოდის არჩევანი დამოკიდებულია ნივთიერების ტიპზე და მის მდგომარეობაზე.
მოლეკულის ზომა არის პირობითი მნიშვნელობა, ელექტრონული გარსის გათვალისწინებით. წერტილი არის ელექტრონების დაშორება ატომის ბირთვებიდან. რაც უფრო დიდია ისინი, მით ნაკლებია მოლეკულის ელექტრონების პოვნის ალბათობა. პრაქტიკაში, მოლეკულების ზომა შეიძლება განისაზღვროს წონასწორული მანძილის გათვალისწინებით.ეს არის ინტერვალი, რომლის დროსაც მოლეკულებს შეუძლიათ ერთმანეთთან მიახლოება, როდესაც მჭიდროდ არიან შეფუთული მოლეკულურ კრისტალში და სითხეში.
დიდი დისტანციები მოლეკულებს იზიდავს, მცირეს კი პირიქით, მოგერიება. ამრიგად, მოლეკულური კრისტალების რენტგენის დიფრაქციული ანალიზი ხელს უწყობს მოლეკულის ზომების დადგენას. დიფუზიის კოეფიციენტის, თბოგამტარობის და გაზების სიბლანტის, აგრეთვე ნივთიერების სიმკვრივის გამოყენებით შედედებულ მდგომარეობაში შეიძლება განისაზღვროს მოლეკულური ზომების სიდიდის რიგი.
