Miili yote inayotuzunguka imeundwa na atomi. Atomi, kwa upande wake, hukusanyika katika molekuli. Ni kutokana na tofauti katika muundo wa Masi ambayo mtu anaweza kuzungumza juu ya vitu ambavyo ni tofauti kutoka kwa kila mmoja, kwa kuzingatia mali zao na vigezo. Molekuli na atomi daima ziko katika hali ya mienendo. Kusonga, bado hutawanyika kwa mwelekeo tofauti, lakini hufanyika katika muundo fulani, ambao tunadaiwa kwa kuwepo kwa aina kubwa ya vitu katika ulimwengu wote unaotuzunguka. Chembe hizi ni nini na sifa zake ni zipi?
Dhana za jumla
Tukianzia kwenye nadharia ya quantum mechanics, basi molekuli haijumuishi atomi, bali viini vyake na elektroni, ambazo huingiliana kila mara.
Kwa baadhi ya vitu, molekuli ndiyo chembe ndogo kabisa ambayo ina muundo na sifa za kemikali za dutu yenyewe. Kwa hivyo, mali ya molekuli kutoka kwa mtazamo wa kemia imedhamiriwa na muundo wake wa kemikali nautungaji. Lakini tu kwa vitu vilivyo na muundo wa Masi, sheria inafanya kazi: mali ya kemikali ya vitu na molekuli ni sawa. Kwa baadhi ya polima, kama vile ethilini na poliethilini, muundo huo haulingani na utunzi wa molekuli.
Inajulikana kuwa sifa za molekuli huamuliwa sio tu na idadi ya atomi, aina zao, lakini pia na usanidi, mpangilio wa unganisho. Molekuli ni muundo tata wa usanifu, ambapo kila kipengele kinasimama mahali pake na kina majirani zake maalum. Muundo wa atomiki unaweza kuwa ngumu zaidi au kidogo. Kila chembe hutetemeka kuhusu nafasi yake ya usawa.
Mipangilio na vigezo
Hutokea kwamba baadhi ya sehemu za molekuli huzunguka kuhusiana na sehemu nyingine. Kwa hivyo, katika mchakato wa mwendo wa joto, molekuli huru huchukua maumbo ya ajabu (mipangilio).
Kimsingi, sifa za molekuli huamuliwa na kifungo (aina yake) kati ya atomi na usanifu wa molekuli yenyewe (muundo, umbo). Kwa hivyo, kwanza kabisa, nadharia ya jumla ya kemikali huzingatia vifungo vya kemikali na inategemea sifa za atomi.
Kwa polarity kali, sifa za molekuli ni vigumu kueleza kwa uunganisho wa mara mbili au tatu, ambao ni bora kwa molekuli zisizo za polar. Kwa hiyo, parameter ya ziada na wakati wa dipole ilianzishwa. Lakini njia hii haifanikiwa kila wakati, kwani molekuli za polar zina sifa za kibinafsi. Vigezo pia vimependekezwa kuwajibika kwa athari za quantum, ambazo ni muhimu katika halijoto ya chini.
Tunajua nini kuhusu molekuli ya dutu inayojulikana zaidi Duniani?
Kati ya dutu zote kwenye sayari yetu, kinachojulikana zaidi ni maji. Ni, kwa maana halisi, hutoa uhai kwa kila kitu kilichopo duniani. Virusi pekee vinaweza kufanya bila hiyo, wengine wa miundo hai katika muundo wao kwa sehemu kubwa ina maji. Ni sifa gani za molekuli ya maji, ambayo ni sifa yake pekee, hutumika katika maisha ya kiuchumi ya mwanadamu na wanyamapori wa Dunia?
Baada ya yote, hii ni dutu ya kipekee! Hakuna dutu nyingine inayoweza kujivunia seti ya sifa zinazopatikana katika maji.
Maji ndicho kiyeyusho kikuu asilia. Athari zote zinazotokea katika viumbe hai, kwa njia moja au nyingine, hutokea katika mazingira ya majini. Hiyo ni, dutu huingia katika athari zikiwa katika hali ya kuyeyushwa.
Maji yana uwezo bora wa kuongeza joto, lakini udumishaji wa chini wa mafuta. Shukrani kwa mali hizi, tunaweza kuitumia kama usafiri wa joto. Kanuni hii imejumuishwa katika utaratibu wa baridi wa idadi kubwa ya viumbe. Katika tasnia ya nguvu ya nyuklia, sifa za molekuli ya maji zilisababisha utumiaji wa dutu hii kama kipozezi. Kando na uwezekano wa kuwa nyenzo tendaji kwa vitu vingine, maji yenyewe yanaweza kuingia katika athari: upigaji picha, uwekaji maji, na wengine.
Maji asilia safi ni kimiminika kisicho na harufu, kisicho rangi na kisicho na ladha. Lakini kwa unene wa safu zaidi ya mita 2, rangi inakuwa ya samawati.
Molekuli nzima ya maji ni dipole (nguzo mbili zilizo kinyume). Ni muundo wa dipole ndanihasa huamua mali isiyo ya kawaida ya dutu hii. Molekuli ya maji ni diamagnet.
Maji ya chuma yana mali nyingine ya kuvutia: molekuli yake hupata muundo wa uwiano wa dhahabu, na muundo wa dutu hupata uwiano wa sehemu ya dhahabu. Nyingi za sifa za molekuli ya maji zimeanzishwa kwa kuchanganua ufyonzwaji na utoaji wa vielelezo vyenye mistari katika awamu ya gesi.
Sayansi na sifa za molekuli
Dutu zote, isipokuwa zile za kemikali, zina sifa halisi za molekuli zinazounda muundo wao.
Katika sayansi ya kimwili, dhana ya molekuli hutumika kueleza sifa za vitu vikali, vimiminika na gesi. Uwezo wa vitu vyote kueneza, mnato wao, conductivity ya mafuta na mali nyingine imedhamiriwa na uhamaji wa molekuli. Mwanafizikia Mfaransa Jean Perrin alipokuwa akisoma mwendo wa Brownian, kwa majaribio alithibitisha kuwepo kwa molekuli. Viumbe vyote vilivyo hai vipo kwa sababu ya mwingiliano mzuri wa ndani wa muundo. Sifa zote za kemikali na kimwili za dutu ni muhimu sana kwa sayansi ya asili. Ukuaji wa fizikia, kemia, biolojia na fizikia ya molekuli ulizua sayansi kama vile biolojia ya molekuli, ambayo inachunguza matukio ya msingi katika maisha.
Kwa kutumia thermodynamics ya takwimu, sifa za kimwili za molekuli, ambazo hubainishwa na uchunguzi wa molekuli, katika kemia ya kimwili hubainisha sifa za thermodynamic za dutu zinazohitajika ili kukokotoa usawa wa kemikali na viwango vya kuanzishwa kwake.
Kuna tofauti gani kati ya sifa za atomi na molekuli?
Kwanza kabisa, atomi hazitokei katika hali huria.
Molekuli zina mwonekano wa kuvutia zaidi. Hii ni kutokana na ulinganifu wa chini wa mfumo na kuibuka kwa uwezekano wa mzunguko mpya na oscillations ya nuclei. Kwa molekuli, jumla ya nishati inajumuisha nishati tatu ambazo ni tofauti kwa mpangilio wa ukubwa wa viambajengo:
- ganda la kielektroniki (mwale wa macho au urujuanimno);
- mitetemo ya viini (sehemu ya infrared ya wigo);
- mzunguko wa molekuli kwa ujumla wake (masafa ya masafa ya redio).
Atomu hutoa mwonekano bainifu wa mstari, huku molekuli zikitoa mwonekano wenye mistari yenye mistari mingi iliyokaribiana.
Uchambuzi wa Spectral
Sifa za macho, umeme, sumaku na nyinginezo za molekuli pia hubainishwa na muunganisho wa vitendakazi vya wimbi. Data kuhusu hali za molekuli na uwezekano wa mpito kati yake huonyesha mwonekano wa molekuli.
Mipito (ya kielektroniki) katika molekuli huonyesha vifungo vya kemikali na muundo wa makombora ya elektroni. Spectra zilizo na miunganisho zaidi zina mikanda ya kunyonya ya urefu wa mawimbi inayoanguka katika eneo linaloonekana. Ikiwa dutu imejengwa kutoka kwa molekuli kama hizo, ina rangi ya tabia. Hizi zote ni rangi za kikaboni.
Sifa za molekuli za dutu moja ni sawa katika hali zote za kujumlisha. Hii ina maana kwamba katika vitu sawa, mali ya molekuli ya kioevu, dutu za gesi hazitofautiani na mali ya imara. Molekuli ya dutu moja daima ina muundo sawa, bila kujalihali ya jumla ya maada yenyewe.
Data ya umeme
Jinsi dutu inavyofanya kazi katika uwanja wa umeme hubainishwa na sifa za kielektroniki za molekuli: utengano na muda wa kudumu wa dipole.
Kipindi cha Dipole ni ulinganifu wa kielektroniki wa molekuli. Molekuli ambazo zina kitovu cha ulinganifu kama H2 hazina muda wa kudumu wa dipole. Uwezo wa shell ya elektroni ya molekuli kusonga chini ya ushawishi wa shamba la umeme, kama matokeo ya ambayo wakati wa dipole unaosababishwa huundwa ndani yake, ni polarizability. Ili kupata thamani ya uwazi na wakati wa dipole, ni muhimu kupima ruhusa.
Tabia ya wimbi la mwanga katika uwanja wa umeme unaopishana hubainishwa na sifa za macho za dutu hii, ambayo hubainishwa na utengano wa molekuli ya dutu hii. Yanayohusiana moja kwa moja na utengano ni: mtawanyiko, mkiano, shughuli ya macho na matukio mengine ya optics ya molekuli.
Mtu anaweza kusikia swali mara kwa mara: "Ni nini, kando na molekuli, sifa za dutu hutegemea nini?" Jibu ni rahisi sana.
Sifa za dutu, isipokuwa isometria na muundo wa fuwele, hubainishwa na halijoto ya mazingira, dutu yenyewe, shinikizo, kuwepo kwa uchafu.
Kemia ya molekuli
Kabla ya kuundwa kwa sayansi ya quantum mechanics, asili ya vifungo vya kemikali katika molekuli ilikuwa fumbo ambalo halijatatuliwa. Fizikia ya classical inaelezea mwelekeo nakueneza kwa vifungo vya valence hakuweza. Baada ya kuundwa kwa taarifa za msingi za kinadharia kuhusu kifungo cha kemikali (1927) kwa kutumia mfano wa molekuli rahisi zaidi ya H2, mbinu za nadharia na hesabu zilianza kuboreshwa hatua kwa hatua. Kwa mfano, kwa kuzingatia matumizi makubwa ya njia ya obiti za molekuli, kemia ya quantum, iliwezekana kuhesabu umbali wa interatomic, nishati ya molekuli na vifungo vya kemikali, usambazaji wa wiani wa elektroni na data nyingine ambayo iliendana kabisa na data ya majaribio.
Vitu vyenye muundo sawa, lakini muundo tofauti wa kemikali na sifa tofauti, huitwa isoma za muundo. Zina fomula tofauti za miundo, lakini fomula sawa za molekuli.
Aina tofauti za isomeri za muundo zinajulikana. Tofauti ziko katika muundo wa mifupa ya kaboni, nafasi ya kikundi cha kazi, au nafasi ya dhamana nyingi. Kwa kuongeza, bado kuna isoma za anga ambazo mali ya molekuli ya dutu ina sifa ya muundo sawa na muundo wa kemikali. Kwa hivyo, fomula zote za kimuundo na za Masi ni sawa. Tofauti ziko katika umbo la anga la molekuli. Fomula maalum hutumiwa kuwakilisha isoma tofauti za anga.
Kuna misombo inayoitwa homologues. Zinafanana katika muundo na mali, lakini hutofautiana katika muundo na kikundi kimoja au zaidi cha CH2. Dutu zote zinazofanana katika muundo na mali zimeunganishwa katika mfululizo wa homologous. Baada ya kusoma mali ya homologue moja, mtu anaweza kufikiria juu ya nyingine yoyote kati yao. Seti ya homologi ni mfululizo wa homologous.
Wakati wa kubadilisha miundo ya maadamali ya kemikali ya molekuli hubadilika sana. Hata misombo rahisi hutumika kama mfano: methane, ikiunganishwa na hata chembe moja ya oksijeni, inakuwa kioevu chenye sumu kinachoitwa methanol (methyl alkoholi - CH3OH). Ipasavyo, ukamilishano wake wa kemikali na athari kwa viumbe hai huwa tofauti. Mabadiliko sawa lakini changamano zaidi hutokea wakati wa kurekebisha miundo ya molekuli za kibayolojia.
Sifa za molekuli za kemikali hutegemea sana muundo na sifa za molekuli: kwenye vifungo vya nishati ndani yake na jiometri ya molekuli yenyewe. Hii ni kweli hasa katika misombo hai ya kibiolojia. Ambayo mmenyuko wa kushindana utakuwa mkubwa mara nyingi huamuliwa tu na sababu za anga, ambazo hutegemea molekuli za awali (usanidi wao). Molekuli moja iliyo na usanidi wa "usiostarehe" haitafanya kazi hata kidogo, ilhali nyingine iliyo na muundo sawa wa kemikali lakini jiometri tofauti inaweza kujibu papo hapo.
Idadi kubwa ya michakato ya kibiolojia inayozingatiwa wakati wa ukuaji na uzazi inahusishwa na uhusiano wa kijiometri kati ya bidhaa za athari na nyenzo za kuanzia. Kwa taarifa yako: hatua ya idadi kubwa ya dawa mpya inategemea muundo sawa wa molekuli ya kiwanja ambacho ni hatari kutoka kwa mtazamo wa kibiolojia kwa mwili wa binadamu. Dawa hii huchukua nafasi ya molekuli hatari na kuifanya iwe vigumu kufanya kazi.
Kwa usaidizi wa fomula za kemikali, muundo na sifa za molekuli za dutu tofauti huonyeshwa. Kulingana na uzito wa Masi, uchambuzi wa kemikali, uwiano wa atomiki umeanzishwa na kukusanywafomula ya majaribio.
Jiometri
Uamuzi wa muundo wa kijiometri wa molekuli hufanywa kwa kuzingatia mpangilio wa usawa wa viini vya atomiki. Nishati ya mwingiliano wa atomi inategemea umbali kati ya nuclei ya atomi. Kwa umbali mkubwa sana, nishati hii ni sifuri. Atomi zinapokaribiana, uhusiano wa kemikali huanza kuunda. Kisha atomi huvutiana kwa nguvu.
Ikiwa kuna mvuto dhaifu, basi uundaji wa dhamana ya kemikali sio lazima. Ikiwa atomi zitaanza kukaribia kwa umbali wa karibu, nguvu za kurudisha nyuma za kielektroniki huanza kutenda kati ya viini. Kizuizi cha muunganiko mkubwa wa atomi ni kutopatana kwa makombora ya elektroni ya ndani.
Ukubwa
Haiwezekani kuona molekuli kwa macho. Ni ndogo sana hata darubini yenye ukuzaji wa 1000x haitatusaidia kuziona. Wanabiolojia wanaona bakteria ndogo kama 0.001 mm. Lakini molekuli ni mamia na maelfu ya mara ndogo zaidi.
Leo, muundo wa molekuli za dutu fulani hubainishwa kwa mbinu za utenganishaji: diffraction ya neutroni, uchanganuzi wa eksirei. Pia kuna spectroscopy ya vibrational na njia ya paramagnetic ya elektroni. Uchaguzi wa mbinu hutegemea aina ya dutu na hali yake.
Ukubwa wa molekuli ni thamani ya masharti, ikizingatiwa ganda la elektroni. Hatua ni umbali wa elektroni kutoka kwa nuclei ya atomiki. Wakubwa wao, kuna uwezekano mdogo wa kupata elektroni za molekuli. Katika mazoezi, ukubwa wa molekuli inaweza kuamua kwa kuzingatia umbali wa usawa. Hiki ndicho kipindi ambacho molekuli zenyewe zinaweza kukaribiana zikiwa zimepakiwa kwa wingi katika kioo cha molekuli na katika kioevu.
Umbali mkubwa una molekuli za kuvutia, na ndogo, kinyume chake, za kukataa. Kwa hiyo, uchambuzi wa diffraction ya X-ray ya fuwele za Masi husaidia kupata vipimo vya molekuli. Kwa kutumia mgawo wa kueneza, conductivity ya mafuta na mnato wa gesi, pamoja na msongamano wa dutu katika hali ya kufupishwa, mtu anaweza kuamua mpangilio wa ukubwa wa ukubwa wa molekuli.
