Биднийг хүрээлж буй бүх бие атомуудаас тогтдог. Атомууд нь эргээд молекул болж нэгддэг. Молекулын бүтцийн ялгаатай байдлаас шалтгаалан шинж чанар, параметрийн дагуу бие биенээсээ ялгаатай бодисуудын тухай ярьж болно. Молекулууд ба атомууд үргэлж динамик төлөвт байдаг. Хөдлөхдөө тэд өөр өөр чиглэлд тархдаггүй, харин тодорхой бүтэцтэй байдаг бөгөөд энэ нь бидний эргэн тойрон дахь дэлхий даяар маш олон төрлийн бодисууд байдагтай холбоотой юм. Эдгээр бөөмс гэж юу вэ, тэдгээрийн шинж чанарууд юу вэ?
Ерөнхий ойлголт
Хэрвээ бид квант механикийн онолоос эхэлбэл молекул нь атомуудаас тогтдоггүй, харин тэдгээрийн бие биетэйгээ байнга харилцан үйлчлэлцдэг цөм, электронуудаас бүрддэг.
Зарим бодисын хувьд молекул нь тухайн бодисын найрлага, химийн шинж чанарыг агуулсан хамгийн жижиг бөөмс юм. Тиймээс, химийн үүднээс авч үзвэл молекулуудын шинж чанарыг түүний химийн бүтэц, шинж чанараар тодорхойлдогнайрлага. Гэхдээ зөвхөн молекулын бүтэцтэй бодисын хувьд дүрэм ажилладаг: бодис ба молекулуудын химийн шинж чанар ижил байна. Этилен, полиэтилен зэрэг зарим полимерийн хувьд найрлага нь молекулын найрлагатай таарахгүй байна.
Молекулын шинж чанарыг зөвхөн атомын тоо, тэдгээрийн төрлөөс гадна тохиргоо, холболтын дарааллаар тодорхойлдог нь мэдэгдэж байна. Молекул бол элемент бүр өөрийн байрандаа байрладаг, тодорхой хөршүүдтэй байдаг нарийн төвөгтэй архитектурын бүтэц юм. Атомын бүтэц нь их эсвэл бага хатуу байж болно. Атом бүр тэнцвэрийн байрлалынхаа дагуу чичирдэг.
Тохиргоо ба параметрүүд
Молекулын зарим хэсэг нь бусад хэсгүүдтэй харьцуулахад эргэлддэг. Тиймээс дулааны хөдөлгөөний явцад чөлөөт молекул хачин жигтэй хэлбэр (тохиргоо) авдаг.
Үндсэндээ молекулын шинж чанарыг атомуудын хоорондын холбоо (түүний төрөл) болон молекулын өөрийн архитектур (бүтэц, хэлбэр)-аар тодорхойлдог. Тиймээс юуны түрүүнд химийн ерөнхий онол нь химийн холбоог авч үздэг бөгөөд атомын шинж чанарт суурилдаг.
Хүчтэй туйлшралтай бол молекулуудын шинж чанарыг хоёр эсвэл гурван тогтмол хамаарлаар тайлбарлахад хэцүү байдаг бөгөөд энэ нь туйлшралгүй молекулуудын хувьд маш сайн байдаг. Тиймээс диполь момент бүхий нэмэлт параметрийг нэвтрүүлсэн. Гэхдээ туйлын молекулууд нь бие даасан шинж чанартай байдаг тул энэ арга нь үргэлж амжилттай байдаггүй. Мөн бага температурт чухал ач холбогдолтой квант нөлөөллийг тооцох параметрүүдийг санал болгосон.
Дэлхий дээрх хамгийн түгээмэл бодисын молекулын талаар бид юу мэдэх вэ?
Манай гараг дээрх бүх бодисуудаас хамгийн түгээмэл нь ус юм. Энэ нь шууд утгаараа дэлхий дээр байгаа бүх зүйлийг амьдралаар хангадаг. Зөвхөн вирусууд үүнгүйгээр хийж чаддаг, бусад амьд бүтэц нь ихэнх хэсэг нь устай байдаг. Зөвхөн түүнд хамаарах усны молекулын ямар шинж чанарыг хүн төрөлхтөн болон дэлхийн ан амьтдын эдийн засгийн амьдралд ашигладаг вэ?
Эцсийн эцэст энэ бол үнэхээр өвөрмөц бодис юм! Өөр ямар ч бодис усанд агуулагдах шинж чанараараа сайрхаж чадахгүй.
Ус бол байгалийн гол уусгагч юм. Амьд организмд тохиолддог бүх урвалууд нь ямар нэгэн байдлаар усан орчинд явагддаг. Өөрөөр хэлбэл бодисууд ууссан төлөвт урвалд ордог.
Ус нь маш сайн дулаан багтаамжтай боловч дулаан дамжуулалт багатай. Эдгээр шинж чанаруудын ачаар бид үүнийг дулааны тээвэрлэгч болгон ашиглаж болно. Энэ зарчим нь олон тооны организмын хөргөлтийн механизмд багтдаг. Цөмийн эрчим хүчний салбарт усны молекулын шинж чанар нь энэ бодисыг хөргөлтийн бодис болгон ашиглахад хүргэсэн. Бусад бодисуудад реактив орчин байхаас гадна ус өөрөө фотолиз, усжилт гэх мэт урвалд орж болно.
Байгалийн цэвэр ус нь үнэргүй, өнгөгүй, амтгүй шингэн юм. Харин давхаргын зузаан нь 2 метрээс их байвал өнгө нь цэнхэр өнгөтэй болдог.
Усны бүх молекул нь диполь (эсрэг хоёр туйл). Энэ нь диполийн бүтэц юмголчлон энэ бодисын ер бусын шинж чанарыг тодорхойлдог. Усны молекул нь диамагнит юм.
Металл ус нь бас нэгэн сонирхолтой шинж чанартай: түүний молекул нь алтан харьцааны бүтцийг олж авдаг бөгөөд бодисын бүтэц нь алтан зүсэлтийн харьцааг олж авдаг. Усны молекулын олон шинж чанарыг хийн фаз дахь судалтай спектрийн шингээлт, ялгаруулалтыг шинжлэх замаар тогтоосон.
Шинжлэх ухаан ба молекулын шинж чанарууд
Химийн бодисоос бусад бүх бодис нь тэдгээрийн бүтцийг бүрдүүлдэг молекулуудын физик шинж чанартай байдаг.
Физикийн шинжлэх ухаанд хатуу, шингэн, хийн шинж чанарыг тайлбарлахад молекул гэдэг ойлголтыг ашигладаг. Бүх бодисын тархах чадвар, тэдгээрийн зуурамтгай чанар, дулаан дамжуулалт болон бусад шинж чанарууд нь молекулуудын хөдөлгөөнөөр тодорхойлогддог. Францын физикч Жан Перрин Брауны хөдөлгөөнийг судалж байхдаа молекулууд байдгийг туршилтаар нотолсон. Бүх амьд организмууд бүтэц дэх нарийн тэнцвэртэй дотоод харилцан үйлчлэлийн улмаас оршин байдаг. Бодисын бүх химийн болон физик шинж чанарууд нь байгалийн шинжлэх ухаанд чухал ач холбогдолтой юм. Физик, хими, биологи, молекул физикийн хөгжил нь амьдралын үндсэн үзэгдлүүдийг судалдаг молекул биологи гэх мэт шинжлэх ухааныг бий болгосон.
Статистик термодинамикийн тусламжтайгаар молекулын спектроскопоор тодорхойлогддог молекулуудын физик шинж чанаруудыг физик хими нь химийн тэнцвэрт байдлыг тооцоолоход шаардлагатай бодисын термодинамик шинж чанар, түүнийг бий болгох хурдыг тодорхойлдог.
Атом ба молекулын шинж чанар юугаараа ялгаатай вэ?
Юуны өмнө атомууд чөлөөт төлөвт байдаггүй.
Молекулууд илүү баялаг оптик спектртэй байдаг. Энэ нь системийн доод тэгш хэмтэй, бөөмийн шинэ эргэлт, хэлбэлзэл үүсэх боломжтой болсонтой холбоотой юм. Молекулын хувьд нийт энерги нь бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн дарааллаар ялгаатай гурван энергиээс бүрдэнэ:
- цахим бүрхүүл (оптик эсвэл хэт ягаан туяа);
- цөмийн чичиргээ (спектрийн хэт улаан туяаны хэсэг);
- молекулын бүхэлдээ эргэлт (радио давтамжийн муж).
Атомууд нь шугаман спектрийг ялгаруулдаг бол молекулууд нь хоорондоо нягт уялдаатай олон шугамаас бүрдсэн судалтай спектрийг ялгаруулдаг.
Спектрийн шинжилгээ
Молекулын оптик, цахилгаан, соронзон болон бусад шинж чанарууд нь долгионы функцтэй холбогдож тодорхойлогддог. Молекулын төлөв болон тэдгээрийн хоорондох шилжилтийн талаарх өгөгдөл нь молекулын спектрийг харуулж байна.
Молекул дахь шилжилт (цахим) нь химийн холбоо, тэдгээрийн электрон бүрхүүлийн бүтцийг харуулдаг. Илүү олон холболттой спектрүүд нь харагдах бүсэд ордог урт долгионы шингээлтийн зурвастай байдаг. Хэрэв ийм молекулаас бодис бүтээгдсэн бол энэ нь өвөрмөц өнгөтэй байдаг. Эдгээр нь бүгд органик будагч бодис юм.
Ижил бодисын молекулуудын шинж чанар нь нэгтгэх бүх төлөвт ижил байдаг. Энэ нь ижил бодисуудад шингэн, хийн бодисын молекулуудын шинж чанар нь хатуу бодисын шинж чанараас ялгаатай биш гэсэн үг юм. Нэг бодисын молекул нь ямар ч хамаагүй үргэлж ижил бүтэцтэй байдагбодисын нийт төлөв.
Цахилгааны өгөгдөл
Цахилгаан талбарт бодис хэрхэн ажиллах нь молекулуудын цахилгаан шинж чанараар тодорхойлогддог: туйлшрах чадвар ба байнгын диполь момент.
Диполь момент нь молекулын цахилгаан тэгш бус байдал юм. H2 шиг тэгш хэмийн төвтэй молекулуудад байнгын диполь момент байдаггүй. Молекулын электрон бүрхүүлийн цахилгаан талбайн нөлөөн дор хөдөлж, үүний үр дүнд индукцсан диполь момент үүсдэг нь туйлшрах чадвар юм. Туйлшрах чадвар ба диполь моментийн утгыг олохын тулд нэвтрүүлэх чадварыг хэмжих шаардлагатай.
Хувьсах цахилгаан орон дахь гэрлийн долгионы үйл ажиллагаа нь тухайн бодисын оптик шинж чанараар тодорхойлогддог бөгөөд энэ нь тухайн бодисын молекулын туйлшралаар тодорхойлогддог. Туйлшрах чадвартай шууд холбоотой нь: сарнилт, хугарал, оптик идэвхжил болон молекулын оптикийн бусад үзэгдлүүд.
“Бодисын шинж чанар нь молекулуудаас гадна юунаас хамаардаг вэ?” гэсэн асуултыг байнга сонсож болно. Хариулт нь маш энгийн.
Изометр, талст бүтцээс бусад бодисын шинж чанарыг орчны температур, бодис өөрөө, даралт, хольц байгаа эсэхээр тодорхойлно.
Молекулын хими
Квант механикийн шинжлэх ухаан үүсэхээс өмнө молекул дахь химийн бондын мөн чанар нь тайлагдаагүй нууц байсан. Сонгодог физик нь чиглэл бавалентийн бондын ханалт боломжгүй. Хамгийн энгийн Н2 молекулын жишээг ашиглан химийн холбоо (1927)-ын тухай онолын үндсэн мэдээллийг бий болгосны дараа онол, тооцооллын арга аажмаар боловсронгуй болж эхэлсэн. Жишээлбэл, молекул орбиталын арга, квант химийн аргыг өргөнөөр ашигласны үндсэн дээр атом хоорондын зай, молекулын энерги ба химийн холбоо, электрон нягтын тархалт болон туршилтын өгөгдөлтэй бүрэн давхцах бусад өгөгдлийг тооцоолох боломжтой болсон.
Бүтцийн изомерууд ижил боловч химийн бүтэц нь өөр, шинж чанараараа ялгаатай бодисуудыг бүтцийн изомер гэнэ. Тэдгээр нь өөр өөр бүтцийн томьёотой боловч молекулын томъёо нь ижил.
Бүтцийн изомеризмын янз бүрийн төрлүүд мэдэгдэж байна. Ялгаа нь нүүрстөрөгчийн араг ясны бүтэц, функциональ бүлгийн байрлал эсвэл олон тооны холбоосын байрлалд оршдог. Үүнээс гадна бодисын молекулын шинж чанар нь ижил найрлага, химийн бүтцээр тодорхойлогддог орон зайн изомерууд байсаар байна. Тиймээс бүтцийн болон молекулын томъёо хоёулаа ижил байна. Ялгаа нь молекулын орон зайн хэлбэрт оршдог. Орон зайн өөр изомеруудыг илэрхийлэхийн тулд тусгай томьёо ашигладаг.
Гомолог гэж нэрлэгддэг нэгдлүүд байдаг. Эдгээр нь бүтэц, шинж чанарын хувьд ижил төстэй боловч найрлага нь нэг буюу хэд хэдэн CH2 бүлгээр ялгаатай байдаг. Бүтэц, шинж чанараараа ижил төстэй бүх бодисыг гомолог цуврал болгон нэгтгэдэг. Нэг гомологийн шинж чанарыг судалсны дараа бусад хүмүүсийн талаар үндэслэл гаргаж болно. Гомологуудын багц нь гомолог цуврал юм.
Материйн бүтцийг өөрчлөх үедмолекулуудын химийн шинж чанар эрс өөрчлөгддөг. Хамгийн энгийн нэгдлүүд ч гэсэн жишээ болдог: метан нь хүчилтөрөгчийн нэг атомтай нэгдэхэд метанол (метилийн спирт - CH3OH) хэмээх хортой шингэн болдог. Үүний дагуу түүний химийн нэмэлт чанар, амьд организмд үзүүлэх нөлөө нь өөр өөр болдог. Биомолекулын бүтцийг өөрчлөх үед ижил төстэй боловч илүү төвөгтэй өөрчлөлтүүд гардаг.
Химийн молекулын шинж чанарууд нь молекулуудын бүтэц, шинж чанараас ихээхэн хамаардаг: түүний доторх энергийн холбоо болон молекулын геометрээс. Энэ нь ялангуяа биологийн идэвхит нэгдлүүдэд үнэн юм. Өрсөлдөгч ямар урвал давамгайлах вэ гэдэг нь ихэвчлэн орон зайн хүчин зүйлээр тодорхойлогддог бөгөөд энэ нь эргээд анхны молекулуудаас (тэдгээрийн тохиргоо) хамаардаг. "Эвгүй" тохиргоотой нэг молекул огт урвалд орохгүй байхад нөгөө нь ижил химийн найрлагатай боловч өөр геометртэй молекул шууд хариу үйлдэл үзүүлж болно.
Өсөлт ба нөхөн үржихүйн явцад ажиглагдсан олон тооны биологийн процессууд нь урвалын бүтээгдэхүүн ба эхлэл материалын хоорондын геометрийн харилцаатай холбоотой байдаг. Таны мэдээлэлд: нэлээд олон тооны шинэ эмийн үйл ажиллагаа нь хүний биед биологийн үүднээс хортой нэгдлийн молекулын ижил төстэй бүтэц дээр суурилдаг. Мансууруулах бодис нь хортой молекулыг орлож, ажиллахад хэцүү болгодог.
Химийн томъёоны тусламжтайгаар янз бүрийн бодисын молекулуудын найрлага, шинж чанарыг илэрхийлдэг. Молекулын жин, химийн шинжилгээнд үндэслэн атомын харьцааг тогтоож, эмхэтгэдэгэмпирик томъёо.
Геометр
Молекулын геометрийн бүтцийг тодорхойлохдоо атомын цөмийн тэнцвэрт байрлалыг харгалзан үздэг. Атомуудын харилцан үйлчлэлийн энерги нь атомын цөм хоорондын зайнаас хамаарна. Маш хол зайд энэ энерги тэгтэй тэнцүү байна. Атомууд хоорондоо ойртох тусам химийн холбоо үүсч эхэлдэг. Дараа нь атомууд бие биедээ хүчтэй татагдана.
Хэрэв таталцал сул байвал химийн холбоо үүсгэх шаардлагагүй. Хэрэв атомууд ойрын зайд ойртож эхэлбэл цөмийн хооронд цахилгаан статик түлхэлтийн хүч үйлчилж эхэлдэг. Атомуудын хүчтэй нэгдэлд саад болж байгаа зүйл бол тэдгээрийн дотоод электрон бүрхүүлийн үл нийцэх байдал юм.
Хэмжээ
Молекулуудыг энгийн нүдээр харах боломжгүй. Тэд маш жижиг тул 1000 дахин томруулдаг микроскоп ч тэднийг харахад тус болохгүй. Биологичид 0.001 мм хэмжээтэй бактерийг ажигладаг. Гэхдээ молекулууд хэдэн зуу, мянга дахин жижиг.
Өнөөдөр тодорхой бодисын молекулын бүтцийг дифракцийн аргаар тодорхойлдог: нейтроны дифракц, рентген цацрагийн шинжилгээ. Мөн чичиргээний спектроскопи болон электрон парамагнит арга байдаг. Аргын сонголт нь бодисын төрөл, нөхцөл байдлаас хамаарна.
Молекулын хэмжээ нь электрон бүрхүүлийг харгалзан үзэх нөхцөлт утга юм. Цэг нь атомын цөмөөс электронуудын зай юм. Тэдгээр нь том байх тусам молекулын электроныг олох магадлал бага байдаг. Практикт молекулуудын хэмжээг тэнцвэрийн зайг харгалзан тодорхойлж болно. Энэ нь молекулын талст болон шингэнд нягт савлагдсан үед молекулууд бие биедээ ойртох интервал юм.
Том зайд молекулууд татах, жижиг молекулууд нь эсрэгээрээ түлхэлттэй байдаг. Тиймээс молекулын талстуудын рентген туяаны дифракцийн шинжилгээ нь молекулын хэмжээсийг олоход тусалдаг. Хийн тархалтын коэффициент, дулаан дамжуулалт ба зуурамтгай чанар, мөн өтгөрүүлсэн төлөвт байгаа бодисын нягтыг ашиглан молекулын хэмжээсийн дарааллыг тодорхойлж болно.
