כל הגופים שמקיפים אותנו מורכבים מאטומים. אטומים, בתורם, מתאספים למולקולה. בשל השוני במבנה המולקולרי אפשר לדבר על חומרים שונים זה מזה, על סמך תכונותיהם ופרמטרים שלהם. מולקולות ואטומים נמצאים תמיד במצב של דינמיקה. בתנועה, הם עדיין לא מתפזרים לכיוונים שונים, אלא מוחזקים במבנה מסוים, שאנו חבים לקיומו של מגוון עצום כל כך של חומרים בכל העולם סביבנו. מהם החלקיקים האלה ומה התכונות שלהם?
מושגים כלליים
אם נתחיל מתורת מכניקת הקוונטים, אז המולקולה לא מורכבת מאטומים, אלא מהגרעינים והאלקטרונים שלהם, שכל הזמן מקיימים אינטראקציה זה עם זה.
עבור חלק מהחומרים, מולקולה היא החלקיק הקטן ביותר בעל ההרכב והתכונות הכימיות של החומר עצמו. אז, המאפיינים של מולקולות מנקודת מבט של כימיה נקבעות על ידי המבנה הכימי שלה והרכב. אבל רק עבור חומרים בעלי מבנה מולקולרי, הכלל עובד: התכונות הכימיות של חומרים ומולקולות זהות. עבור פולימרים מסוימים, כגון אתילן ופוליאתילן, ההרכב אינו תואם את ההרכב המולקולרי.
ידוע שתכונות המולקולות נקבעות לא רק לפי מספר האטומים, סוגם, אלא גם לפי התצורה, סדר החיבור. מולקולה היא מבנה אדריכלי מורכב, שבו כל אלמנט עומד במקומו ויש לו שכנים ספציפיים לו. המבנה האטומי יכול להיות נוקשה יותר או פחות. כל אטום רוטט סביב מיקום שיווי המשקל שלו.
תצורה ופרמטרים
קורה שחלקים מסוימים של המולקולה מסתובבים ביחס לחלקים אחרים. לכן, בתהליך של תנועה תרמית, מולקולה חופשית מקבלת צורות מוזרות (תצורות).
בעיקרון, התכונות של מולקולות נקבעות על ידי הקשר (הסוג שלה) בין אטומים והארכיטקטורה של המולקולה עצמה (מבנה, צורה). לפיכך, קודם כל, התיאוריה הכימית הכללית מתייחסת לקשרים כימיים ומבוססת על תכונות של אטומים.
עם קוטביות חזקה, קשה לתאר את התכונות של מולקולות עם מתאמים של שניים או שלושה קבועים, שהם מצוינים עבור מולקולות לא קוטביות. לכן, הוצג פרמטר נוסף עם מומנט דיפול. אבל שיטה זו לא תמיד מצליחה, שכן למולקולות קוטביות יש מאפיינים אישיים. הוצעו גם פרמטרים כדי לתת את הדעת על השפעות קוונטיות, שחשובות בטמפרטורות נמוכות.
מה אנחנו יודעים על המולקולה של החומר הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ?
מכל החומרים על הפלנטה שלנו, הנפוץ ביותר הוא מים. זה, במובן המילולי, מספק חיים לכל מה שקיים על פני כדור הארץ. רק וירוסים יכולים להסתדר בלעדיו, לשאר המבנים החיים בהרכבם לרוב יש מים. אילו תכונות של מולקולת המים, האופייניות רק לה, משמשות בחיים הכלכליים של האדם וחיות הבר של כדור הארץ?
אחרי הכל, זהו חומר ייחודי באמת! שום חומר אחר לא יכול להתהדר בסט של תכונות הטבועות במים.
מים הם הממס העיקרי בטבע. כל התגובות המתרחשות באורגניזמים חיים, כך או אחרת, מתרחשות בסביבה המימית. כלומר, חומרים נכנסים לתגובות כשהם במצב מומס.
למים קיבולת חום מצוינת, אך מוליכות תרמית נמוכה. הודות למאפיינים אלה, אנו יכולים להשתמש בו כהובלת חום. עיקרון זה כלול במנגנון הקירור של מספר רב של אורגניזמים. בתעשיית הכוח הגרעיני, תכונות מולקולת המים הולידו את השימוש בחומר זה כנוזל קירור. בנוסף לאפשרות להיות תווך תגובתי לחומרים אחרים, המים עצמם יכולים להיכנס לתגובות: פוטוליזה, הידרציה ואחרות.
מים טהורים טבעיים הם נוזל חסר ריח, חסר צבע וטעם. אבל בעובי שכבה העולה על 2 מטר, הצבע הופך לכחלחל.
כל מולקולת המים היא דיפול (שני קטבים מנוגדים). זה מבנה הדיפול בקובע בעיקר את המאפיינים יוצאי הדופן של החומר הזה. מולקולת המים היא דיאמגנט.
למי מתכת יש תכונה מעניינת נוספת: המולקולה שלהם מקבלת את מבנה יחס הזהב, ומבנה החומר מקבל את הפרופורציות של חתך הזהב. רבות מהתכונות של מולקולת המים הוקמו על ידי ניתוח הקליטה והפליטה של ספקטרום פסים בשלב הגז.
מדע ומאפיינים מולקולריים
לכל החומרים, מלבד הכימיים, יש את התכונות הפיזיקליות של המולקולות המרכיבות את המבנה שלהם.
במדע הפיזיקלי, המושג מולקולות משמש כדי להסביר את התכונות של מוצקים, נוזלים וגזים. יכולתם של כל החומרים להתפזר, צמיגותם, מוליכות תרמית ותכונות אחרות נקבעות על ידי ניידות מולקולות. כאשר הפיזיקאי הצרפתי ז'אן פרין חקר תנועה בראונית, הוא הוכיח בניסוי את קיומן של מולקולות. כל היצורים החיים קיימים עקב אינטראקציה פנימית מאוזנת עדינה במבנה. כל התכונות הכימיות והפיזיקליות של חומרים הן בעלות חשיבות בסיסית עבור מדעי הטבע. התפתחות הפיזיקה, הכימיה, הביולוגיה והפיזיקה המולקולרית הולידה מדע כמו ביולוגיה מולקולרית, החוקר את התופעות הבסיסיות בחיים.
באמצעות תרמודינמיקה סטטיסטית, התכונות הפיזיקליות של מולקולות, הנקבעות על ידי ספקטרוסקופיה מולקולרית, בכימיה פיזיקלית קובעות את התכונות התרמודינמיות של חומרים הנחוצים לחישוב שיווי משקל כימי ואת שיעורי היווצרותו.
מה ההבדל בין התכונות של אטומים ומולקולות?
קודם כל, אטומים אינם מתרחשים במצב חופשי.
למולקולות יש ספקטרום אופטי עשיר יותר. הסיבה לכך היא הסימטריה הנמוכה יותר של המערכת והופעת האפשרות של סיבובים ותנודות חדשות של הגרעינים. עבור מולקולה, האנרגיה הכוללת מורכבת משלוש אנרגיות השונות בסדר הגודל של הרכיבים:
- קליפה אלקטרונית (קרינה אופטית או אולטרה סגולה);
- רעידות של גרעינים (חלק אינפרא אדום של הספקטרום);
- סיבוב של המולקולה כולה (טווח תדרי רדיו).
אטומים פולטים ספקטרום קווים אופייניים, בעוד מולקולות פולטות ספקטרום פסים המורכב מקווים רבים ברווחים קרובים.
ניתוח ספקטרלי
תכונות אופטיות, חשמליות, מגנטיות ואחרות של מולקולה נקבעות גם על ידי הקשר עם פונקציות הגל. נתונים על מצבי מולקולות והמעבר הסביר ביניהן מראים ספקטרום מולקולרי.
מעברים (אלקטרונים) במולקולות מראים קשרים כימיים ואת מבנה קליפות האלקטרונים שלהן. לספקטרה עם יותר חיבורים יש פסי ספיגה באורך גל ארוך הנופלים לאזור הנראה. אם חומר בנוי ממולקולות כאלה, יש לו צבע אופייני. כל אלה הם צבעים אורגניים.
תכונות של מולקולות של אותו חומר זהות בכל מצבי הצבירה. המשמעות היא שבאותם חומרים, תכונות המולקולות של חומרים נוזליים, גזים, אינן שונות מתכונות המוצק. למולקולה של חומר אחד יש תמיד אותו מבנה, ללא קשר למצב צבירה של החומר עצמו.
נתונים חשמליים
הדרך שבה חומר מתנהג בשדה חשמלי נקבעת על פי המאפיינים החשמליים של המולקולות: קיטוב ומומנט דיפול קבוע.
מומנט דיפול הוא האסימטריה החשמלית של מולקולה. למולקולות שיש להן מרכז סימטריה כמו H2 אין מומנט דיפול קבוע. היכולת של מעטפת האלקטרונים של מולקולה לנוע בהשפעת שדה חשמלי, וכתוצאה מכך נוצר בה מומנט דיפול מושרה, היא קיטוב. כדי למצוא את הערך של קיטוב ומומנט דיפול, יש צורך למדוד את הפריטטיביות.
התנהגות של גל אור בשדה חשמלי מתחלף מאופיינת בתכונות אופטיות של חומר, שנקבעות לפי יכולת הקיטוב של מולקולה של חומר זה. הקשורים ישירות לקיטוב הם: פיזור, שבירה, פעילות אופטית ותופעות אחרות של אופטיקה מולקולרית.
לעתים קרובות אפשר לשמוע את השאלה: "במה, מלבד מולקולות, תלויות תכונותיו של חומר?" התשובה די פשוטה.
מאפיינים של חומרים, למעט איזומטריה ומבנה גבישי, נקבעים לפי טמפרטורת הסביבה, החומר עצמו, לחץ, נוכחות זיהומים.
כימיה של מולקולות
לפני היווצרותו של מדע מכניקת הקוונטים, טבעם של קשרים כימיים במולקולות היה תעלומה בלתי פתורה. הפיזיקה הקלאסית מסבירה כיווניות ורוויה של קשרי ערכיות לא יכלה. לאחר יצירת מידע תיאורטי בסיסי על הקשר הכימי (1927) תוך שימוש בדוגמה של מולקולת H2 הפשוטה ביותר, התיאוריה ושיטות החישוב החלו להשתפר בהדרגה. כך למשל, בהתבסס על השימוש הנרחב בשיטה של אורביטלים מולקולריים, כימיה קוונטית, ניתן היה לחשב מרחקים בין-אטומיים, אנרגיית מולקולות וקשרים כימיים, התפלגות צפיפות האלקטרונים ונתונים נוספים שחפפו לחלוטין לנתוני ניסוי.
חומרים בעלי אותו הרכב, אך מבנה כימי שונה ותכונות שונות, נקראים איזומרים מבניים. יש להם נוסחאות מבניות שונות, אבל אותן נוסחאות מולקולריות.
ידועים סוגים שונים של איזומריזם מבני. ההבדלים נעוצים במבנה שלד הפחמן, במיקום הקבוצה הפונקציונלית או במיקום הקשר המרובה. בנוסף, עדיין קיימים איזומרים מרחביים שבהם תכונות מולקולת חומר מאופיינות באותו הרכב ובמבנה כימי. לכן, גם נוסחאות מבניות וגם נוסחאות מולקולריות זהות. ההבדלים נעוצים בצורה המרחבית של המולקולה. נוסחאות מיוחדות משמשות לייצוג איזומרים מרחביים שונים.
יש תרכובות שנקראות הומולוגיות. הם דומים במבנה ובמאפיינים, אך שונים בהרכבם על ידי קבוצת CH2 אחת או יותר. כל החומרים הדומים במבנה ובתכונות משולבים לסדרות הומולוגיות. לאחר שלמדנו את המאפיינים של הומלוג אחד, אפשר לחשוב על כל אחד אחר מהם. קבוצת ההומולוגים היא סדרה הומולוגית.
כאשר משנים את מבני החומרהתכונות הכימיות של מולקולות משתנות באופן דרמטי. אפילו התרכובות הפשוטות ביותר משמשות דוגמה: מתאן, בשילוב עם אפילו אטום חמצן אחד, הופך לנוזל רעיל בשם מתנול (מתיל אלכוהול - CH3OH). בהתאם לכך, ההשלמה הכימית שלו והשפעתו על אורגניזמים חיים הופכים שונים. שינויים דומים אך מורכבים יותר מתרחשים בעת שינוי המבנים של ביומולקולות.
תכונות מולקולריות כימיות תלויות מאוד במבנה ובתכונות של מולקולות: בקשרי האנרגיה שבה ובגיאומטריה של המולקולה עצמה. זה נכון במיוחד בתרכובות פעילות ביולוגית. איזו תגובה מתחרה תהיה השולטת נקבעת לרוב רק על ידי גורמים מרחביים, אשר בתורם תלויים במולקולות הראשוניות (התצורה שלהן). מולקולה אחת עם תצורה "לא נוחה" לא תגיב כלל, בעוד מולקולה אחרת עם אותו הרכב כימי אך גיאומטריה שונה עשויה להגיב באופן מיידי.
מספר רב של תהליכים ביולוגיים שנצפו במהלך גדילה ורבייה קשורים ליחסים הגיאומטריים בין תוצרי התגובה לחומרי המוצא. לידיעתכם: פעולתן של מספר לא מבוטל של תרופות חדשות מבוססת על מבנה מולקולרי דומה של תרכובת המזיקה מבחינה ביולוגית לגוף האדם. התרופה תופסת את מקומה של המולקולה המזיקה ומקשה על הפעולה.
בעזרת נוסחאות כימיות באים לידי ביטוי הרכב ותכונות של מולקולות של חומרים שונים. בהתבסס על המשקל המולקולרי, ניתוח כימי, היחס האטומי נקבע ונערךנוסחה אמפירית.
Geometry
קביעת המבנה הגיאומטרי של מולקולה מתבצעת תוך התחשבות בסידור שיווי המשקל של גרעיני אטום. אנרגיית האינטראקציה של אטומים תלויה במרחק בין גרעיני האטומים. במרחקים גדולים מאוד, האנרגיה הזו היא אפס. כשהאטומים מתקרבים זה לזה, מתחיל להיווצר קשר כימי. ואז האטומים נמשכים מאוד זה לזה.
אם יש משיכה חלשה, אין צורך ביצירת קשר כימי. אם האטומים מתחילים להתקרב למרחקים קרובים יותר, כוחות דחייה אלקטרוסטטיים מתחילים לפעול בין הגרעינים. מכשול להתכנסות חזקה של אטומים הוא חוסר ההתאמה של קליפות האלקטרונים הפנימיות שלהם.
גדלים
אי אפשר לראות מולקולות בעין בלתי מזוינת. הם כל כך קטנים שאפילו מיקרוסקופ עם הגדלה של פי 1000 לא יעזור לנו לראות אותם. ביולוגים צופים בחיידקים קטנים עד 0.001 מ מ. אבל מולקולות קטנות מאות ואלפי מונים.
היום, המבנה של מולקולות של חומר מסוים נקבע בשיטות עקיפה: עקיפה של נויטרונים, ניתוח עקיפה בקרני רנטגן. יש גם ספקטרוסקופיה רטט ושיטה פרמגנטית אלקטרונים. בחירת השיטה תלויה בסוג החומר ובמצבו.
גודלה של מולקולה הוא ערך מותנה, תוך התחשבות במעטפת האלקטרונים. הנקודה היא המרחקים של אלקטרונים מגרעיני אטום. ככל שהם גדולים יותר, הסיכוי למצוא את האלקטרונים של המולקולה קטן יותר. בפועל, ניתן לקבוע את גודל המולקולות על ידי התחשבות במרחק שיווי המשקל.זהו המרווח שבו המולקולות עצמן יכולות להתקרב זו לזו כשהן ארוזות בצפיפות בגביש מולקולרי ובנוזל.
למרחקים גדולים יש מולקולות למשוך, ולקטנות, להיפך, לדחייה. לכן, ניתוח דיפרקציית רנטגן של גבישים מולקולריים עוזר למצוא את ממדי המולקולה. באמצעות מקדם הדיפוזיה, מוליכות תרמית וצמיגות של גזים, כמו גם צפיפות של חומר במצב מעובה, ניתן לקבוע את סדר הגודל של גדלים מולקולריים.
