Bizi əhatə edən bütün cisimlər atomlardan ibarətdir. Atomlar da öz növbəsində bir molekula yığılır. Molekulyar quruluşun fərqliliyinə görə, xassələrinə və parametrlərinə görə bir-birindən fərqli olan maddələrdən danışmaq olar. Molekullar və atomlar həmişə dinamik vəziyyətdədirlər. Hərəkət edərkən, onlar hələ də müxtəlif istiqamətlərə səpilmirlər, lakin ətrafımızdakı bütün dünyada bu qədər çox sayda maddələrin mövcudluğuna borclu olduğumuz müəyyən bir quruluşda saxlanılırlar. Bu hissəciklər nədir və onların xüsusiyyətləri nədir?
Ümumi anlayışlar
Kvant mexanikası nəzəriyyəsindən başlasaq, onda molekul atomlardan deyil, onların bir-biri ilə daim qarşılıqlı əlaqədə olan nüvələrindən və elektronlarından ibarətdir.
Bəzi maddələr üçün molekul maddənin özünün tərkibinə və kimyəvi xassələrinə malik olan ən kiçik hissəcikdir. Deməli, kimya baxımından molekulların xassələri onun kimyəvi quruluşu ilə müəyyən edilir vətərkibi. Ancaq yalnız molekulyar quruluşa malik maddələr üçün qayda işləyir: maddələrin və molekulların kimyəvi xüsusiyyətləri eynidir. Etilen və polietilen kimi bəzi polimerlər üçün tərkib molekulyar tərkibə uyğun gəlmir.
Məlumdur ki, molekulların xassələri təkcə atomların sayı, onların növü ilə deyil, həm də konfiqurasiyası, birləşmə qaydası ilə müəyyən edilir. Molekul mürəkkəb bir memarlıq quruluşudur, burada hər bir element öz yerində dayanır və özünəməxsus qonşuları var. Atom quruluşu daha çox və ya daha az sərt ola bilər. Hər bir atom öz tarazlıq mövqeyində titrəyir.
Konfiqurasiya və parametrlər
Elə olur ki, molekulun bəzi hissələri digər hissələrə nisbətən fırlanır. Beləliklə, istilik hərəkəti prosesində sərbəst molekul qəribə formalar (konfiqurasiyalar) alır.
Əsasən, molekulların xassələri atomlar arasındakı əlaqə (onun növü) və molekulun özünün arxitekturası (struktur, forma) ilə müəyyən edilir. Beləliklə, ilk növbədə, ümumi kimyəvi nəzəriyyə kimyəvi bağları nəzərdən keçirir və atomların xüsusiyyətlərinə əsaslanır.
Güclü polarite ilə molekulların xassələrini iki və ya üç sabit korrelyasiya ilə təsvir etmək çətindir, bu da qütb olmayan molekullar üçün əladır. Buna görə də, dipol momenti olan əlavə bir parametr təqdim edildi. Lakin bu üsul həmişə uğurlu olmur, çünki qütb molekulları fərdi xüsusiyyətlərə malikdir. Aşağı temperaturlarda vacib olan kvant effektlərini nəzərə almaq üçün parametrlər də təklif edilmişdir.
Yer üzündə ən çox yayılmış maddənin molekulu haqqında nə bilirik?
Planetimizdəki bütün maddələrdən ən çox yayılmışı sudur. O, hərfi mənada, Yer üzündə mövcud olan hər şey üçün həyat verir. Yalnız viruslar onsuz edə bilər, tərkibindəki canlı strukturların əksəriyyətində su var. Su molekulunun yalnız ona xas olan hansı xüsusiyyətləri insanın təsərrüfat həyatında və Yer kürəsinin canlı aləmində istifadə olunur?
Axı bu, həqiqətən unikal maddədir! Heç bir başqa maddə suya xas xüsusiyyətlər toplusu ilə öyünə bilməz.
Su təbiətdəki əsas həlledicidir. Canlı orqanizmlərdə baş verən bütün reaksiyalar bu və ya digər şəkildə su mühitində baş verir. Yəni, maddələr həll olunmuş halda reaksiyaya girir.
Su əla istilik tutumuna malikdir, lakin aşağı istilik keçiriciliyinə malikdir. Bu xüsusiyyətləri sayəsində biz onu istilik daşıyıcısı kimi istifadə edə bilərik. Bu prinsip çoxlu sayda orqanizmin soyutma mexanizminə daxildir. Nüvə enerjisi sənayesində su molekulunun xüsusiyyətləri bu maddənin soyuducu kimi istifadəsinə səbəb oldu. Digər maddələr üçün reaktiv mühit olma ehtimalı ilə yanaşı, suyun özü də reaksiyalara girə bilər: fotoliz, hidratasiya və s.
Təbii saf su qoxusuz, rəngsiz və dadsız mayedir. Lakin 2 metrdən çox təbəqə qalınlığında rəng mavi olur.
Bütün su molekulu dipoldur (iki əks qütb). Bu, dipol quruluşudurəsasən bu maddənin qeyri-adi xassələrini müəyyən edir. Su molekulu diamaqnitdir.
Metal suyunun daha bir maraqlı xassəsi var: onun molekulu qızıl nisbət strukturunu, maddənin quruluşu isə qızıl kəsiyinin nisbətlərini alır. Su molekulunun bir çox xassələri qaz fazasında zolaqlı spektrlərin udulması və emissiyasının təhlili ilə müəyyən edilmişdir.
Elm və molekulyar xassələr
Bütün maddələr, kimyəvi maddələr istisna olmaqla, onların strukturunu təşkil edən molekulların fiziki xüsusiyyətlərinə malikdir.
Fizika elmində bərk, maye və qazların xassələrini izah etmək üçün molekullar anlayışından istifadə edilir. Bütün maddələrin yayılma qabiliyyəti, onların özlülüyü, istilik keçiriciliyi və digər xassələri molekulların hərəkətliliyi ilə müəyyən edilir. Fransız fiziki Jan Perren Broun hərəkətini tədqiq edərkən molekulların mövcudluğunu eksperimental olaraq sübut etdi. Bütün canlı orqanizmlər strukturda incə balanslaşdırılmış daxili qarşılıqlı əlaqə sayəsində mövcuddur. Maddələrin bütün kimyəvi və fiziki xassələri təbiətşünaslıq üçün fundamental əhəmiyyət kəsb edir. Fizikanın, kimyanın, biologiyanın və molekulyar fizikanın inkişafı həyatın əsas hadisələrini öyrənən molekulyar biologiya kimi bir elmin yaranmasına səbəb oldu.
Statistik termodinamikadan istifadə edərək, molekulyar spektroskopiya ilə müəyyən edilən molekulların fiziki xassələri fiziki kimyada kimyəvi tarazlığın hesablanması üçün zəruri olan maddələrin termodinamik xassələrini və onun qurulma sürətlərini müəyyən edir.
Atomların və molekulların xassələri arasında nə fərq var?
İlk növbədə, atomlar sərbəst vəziyyətdə əmələ gəlmir.
Molekullar daha zəngin optik spektrlərə malikdir. Bu, sistemin aşağı simmetriyası və nüvələrin yeni fırlanma və salınımlarının mümkünlüyünün ortaya çıxması ilə bağlıdır. Bir molekul üçün ümumi enerji komponentlərin böyüklüyünə görə fərqli olan üç enerjidən ibarətdir:
- elektron qabıq (optik və ya ultrabənövşəyi şüalanma);
- nüvələrin vibrasiyası (spektrin infraqırmızı hissəsi);
- bütövlükdə molekulun fırlanması (radio tezlik diapazonu).
Atomlar xarakterik xətt spektrləri, molekullar isə bir-birinə yaxın olan çoxlu xətlərdən ibarət zolaqlı spektrlər yayır.
Spektral analiz
Molekulun optik, elektrik, maqnit və digər xassələri də dalğa funksiyaları ilə əlaqə ilə müəyyən edilir. Molekulların vəziyyətləri və onlar arasında ehtimal olunan keçid haqqında məlumatlar molekulyar spektrləri göstərir.
Molekullardakı keçidlər (elektron) kimyəvi bağları və onların elektron qabıqlarının quruluşunu göstərir. Daha çox əlaqəsi olan spektrlər görünən bölgəyə düşən uzun dalğalı udma zolaqlarına malikdir. Bir maddə belə molekullardan qurulursa, xarakterik bir rəngə malikdir. Bunların hamısı üzvi boyalardır.
Eyni maddənin molekullarının xüsusiyyətləri bütün birləşmə vəziyyətlərində eynidir. Bu o deməkdir ki, eyni maddələrdə maye, qaz halında olan maddələrin molekullarının xassələri bərk cismin xüsusiyyətlərindən fərqlənmir. Bir maddənin molekulu, nə olursa olsun, həmişə eyni quruluşa malikdirmaddənin özünün ümumi vəziyyəti.
Elektrik məlumatı
Maddənin elektrik sahəsində davranış tərzi molekulların elektrik xüsusiyyətləri ilə müəyyən edilir: qütbləşmə qabiliyyəti və daimi dipol momenti.
Dipol momenti molekulun elektrik asimmetriyasıdır. H2 kimi simmetriya mərkəzi olan molekulların daimi dipol momenti yoxdur. Bir molekulun elektron qabığının bir elektrik sahəsinin təsiri altında hərəkət etmək qabiliyyəti, bunun nəticəsində onda bir induksiya edilmiş dipol momenti meydana gəlir, qütbləşmə qabiliyyətidir. Qütbləşmə qabiliyyətinin və dipol momentinin qiymətini tapmaq üçün keçiriciliyi ölçmək lazımdır.
Dəyişən elektrik sahəsində işıq dalğasının davranışı bu maddənin molekulunun qütbləşmə qabiliyyəti ilə müəyyən edilən maddənin optik xassələri ilə xarakterizə olunur. Qütbləşmə qabiliyyəti ilə birbaşa əlaqəli olanlar bunlardır: səpilmə, sınma, optik aktivlik və molekulyar optikanın digər hadisələri.
Sualını tez-tez eşitmək olar: “Maddənin xassələri molekullardan başqa nədən asılıdır?” Cavab olduqca sadədir.
İzometriya və kristal quruluşdan başqa maddələrin xassələri ətraf mühitin temperaturu, maddənin özü, təzyiq, çirklərin olması ilə müəyyən edilir.
Molekulların kimyası
Kvant mexanikası elmi yaranmazdan əvvəl molekullardakı kimyəvi bağların təbiəti açılmamış bir sirr idi. Klassik fizika istiqamətliliyi vəvalentlik bağlarının doyması mümkün olmadı. Ən sadə H2 molekulunun nümunəsindən istifadə etməklə kimyəvi əlaqə haqqında əsas nəzəri məlumatların yaradılmasından sonra (1927) nəzəriyyə və hesablama üsulları tədricən təkmilləşməyə başladı. Məsələn, molekulyar orbitallar metodunun, kvant kimyasının geniş tətbiqi əsasında atomlararası məsafələri, molekulların enerjisini və kimyəvi bağları, elektron sıxlığının paylanmasını və eksperimental məlumatlarla tamamilə üst-üstə düşən digər məlumatları hesablamaq mümkün oldu..
Tərkibi eyni, lakin kimyəvi quruluşu və xassələri fərqli olan maddələrə struktur izomerləri deyilir. Onların fərqli struktur formulları var, lakin eyni molekulyar düsturlar.
Struktur izomerizminin müxtəlif növləri məlumdur. Fərqlər karbon skeletinin strukturunda, funksional qrupun mövqeyində və ya çoxlu bağın mövqeyində olur. Bundan əlavə, hələ də bir maddə molekulunun xüsusiyyətlərinin eyni tərkib və kimyəvi quruluşla xarakterizə edildiyi fəza izomerləri var. Buna görə də həm struktur, həm də molekulyar düsturlar eynidir. Fərqlər molekulun məkan şəklindədir. Fərqli məkan izomerlərini təmsil etmək üçün xüsusi düsturlar istifadə olunur.
Homoloq adlanan birləşmələr var. Onlar struktur və xassələrinə görə oxşardırlar, lakin tərkibində bir və ya bir neçə CH2 qrupu ilə fərqlənirlər. Quruluşunda və xassələrində oxşar olan bütün maddələr homoloji sıralara birləşdirilir. Bir homoloqun xassələrini öyrəndikdən sonra onlardan hər hansı digəri haqqında əsaslandırmaq olar. Homoloqlar dəsti homoloji seriyadır.
Materiyanın strukturlarını transformasiya edərkənmolekulların kimyəvi xassələri kəskin şəkildə dəyişir. Ən sadə birləşmələr belə nümunə kimi xidmət edir: metan hətta bir oksigen atomu ilə birləşdikdə metanol (metil spirti - CH3OH) adlı zəhərli mayeyə çevrilir. Müvafiq olaraq, onun kimyəvi tamamlayıcılığı və canlı orqanizmlərə təsiri fərqli olur. Oxşar, lakin daha mürəkkəb dəyişikliklər biomolekulların strukturlarını dəyişdirərkən baş verir.
Kimyəvi molekulyar xassələr güclü şəkildə molekulların quruluşundan və xassələrindən asılıdır: içindəki enerji bağlarından və molekulun özünün həndəsəsindən. Bu xüsusilə bioloji aktiv birləşmələrə aiddir. Hansı rəqabət reaksiyasının üstünlük təşkil edəcəyi çox vaxt yalnız fəza amilləri ilə müəyyən edilir ki, bu da öz növbəsində ilkin molekullardan (onların konfiqurasiyası) asılıdır. "Narahat" konfiqurasiyaya malik bir molekul heç reaksiya verməyəcək, eyni kimyəvi tərkibə malik, lakin fərqli həndəsə malik digəri isə dərhal reaksiya verə bilər.
Böyümə və çoxalma zamanı müşahidə olunan çoxlu sayda bioloji proseslər reaksiya məhsulları ilə başlanğıc materiallar arasında həndəsi əlaqələrlə əlaqələndirilir. Məlumat üçün: xeyli sayda yeni dərman preparatının təsiri insan orqanizmi üçün bioloji nöqteyi-nəzərdən zərərli olan birləşmənin oxşar molekulyar quruluşuna əsaslanır. Dərman zərərli molekulun yerini tutur və onun hərəkətini çətinləşdirir.
Kimyəvi düsturların köməyi ilə müxtəlif maddələrin molekullarının tərkibi və xassələri ifadə edilir. Molekulyar çəki, kimyəvi analiz əsasında atom nisbəti qurulur və tərtib edilirempirik düstur.
Həndəsə
Molekulun həndəsi quruluşunun təyini atom nüvələrinin tarazlıq düzülüşü nəzərə alınmaqla aparılır. Atomların qarşılıqlı təsir enerjisi atomların nüvələri arasındakı məsafədən asılıdır. Çox böyük məsafələrdə bu enerji sıfırdır. Atomlar bir-birinə yaxınlaşdıqca kimyəvi bağ yaranmağa başlayır. Sonra atomlar bir-birinə güclü şəkildə çəkilir.
Zəif cazibə varsa, o zaman kimyəvi bağın əmələ gəlməsi lazım deyil. Atomlar daha yaxın məsafələrə yaxınlaşmağa başlayarsa, nüvələr arasında elektrostatik itələyici qüvvələr hərəkət etməyə başlayır. Atomların güclü yaxınlaşmasına maneə onların daxili elektron qabıqlarının uyğunsuzluğudur.
Ölçülər
Molekulları adi gözlə görmək mümkün deyil. Onlar o qədər kiçikdirlər ki, hətta 1000x böyüdücü mikroskop belə bizə onları görməyə kömək etməyəcək. Bioloqlar 0,001 mm kimi kiçik bakteriyaları müşahidə edirlər. Lakin molekullar yüzlərlə və minlərlə dəfə kiçikdir.
Bu gün müəyyən maddənin molekullarının quruluşu difraksiya üsulları ilə müəyyən edilir: neytron difraksiyası, rentgen şüalarının difraksiya analizi. Vibrasiya spektroskopiyası və elektron paramaqnit üsulu da var. Metod seçimi maddənin növündən və vəziyyətindən asılıdır.
Molekulun ölçüsü elektron qabığı nəzərə alınmaqla şərti qiymətdir. Nöqtə elektronların atom nüvələrindən olan məsafələridir. Onlar nə qədər böyükdürsə, molekulun elektronlarını tapmaq ehtimalı bir o qədər azdır. Praktikada molekulların ölçüsü tarazlıq məsafəsi nəzərə alınmaqla müəyyən edilə bilər. Bu, molekulyar kristalda və mayedə sıx şəkildə yığıldıqda molekulların bir-birinə yaxınlaşa biləcəyi intervaldır.
Böyük məsafələrin cəzb edəcək molekulları, kiçiklərin isə əksinə, itələmə qüvvəsi var. Buna görə də molekulyar kristalların rentgen şüalarının difraksiya analizi molekulun ölçülərini tapmağa kömək edir. Qazların diffuziya əmsalından, istilik keçiriciliyindən və özlülüyündən, həmçinin kondensasiya olunmuş vəziyyətdə olan maddənin sıxlığından istifadə etməklə molekulyar ölçülərin böyüklük sırasını təyin etmək olar.
