Alle lichamen die ons omringen bestaan uit atomen. Atomen vormen op hun beurt een molecuul. Het is vanwege het verschil in de moleculaire structuur dat men kan praten over stoffen die van elkaar verschillen, op basis van hun eigenschappen en parameters. Moleculen en atomen zijn altijd in een staat van dynamiek. Bewegend, ze verspreiden zich nog steeds niet in verschillende richtingen, maar worden vastgehouden in een bepaalde structuur, die we te danken hebben aan het bestaan van zo'n grote verscheidenheid aan stoffen in de hele wereld om ons heen. Wat zijn deze deeltjes en wat zijn hun eigenschappen?
Algemene concepten
Als we uitgaan van de theorie van de kwantummechanica, dan bestaat het molecuul niet uit atomen, maar uit hun kernen en elektronen, die voortdurend met elkaar in wisselwerking staan.
Voor sommige stoffen is een molecuul het kleinste deeltje met de samenstelling en chemische eigenschappen van de stof zelf. Dus de eigenschappen van moleculen vanuit het oogpunt van chemie worden bepaald door de chemische structuur ensamenstelling. Maar alleen voor stoffen met een moleculaire structuur werkt de regel: de chemische eigenschappen van stoffen en moleculen zijn hetzelfde. Voor sommige polymeren, zoals ethyleen en polyethyleen, komt de samenstelling niet overeen met de moleculaire samenstelling.
Het is bekend dat de eigenschappen van moleculen niet alleen worden bepaald door het aantal atomen, hun type, maar ook door de configuratie, de volgorde van verbinding. Een molecuul is een complexe architecturale structuur, waarbij elk element op zijn plaats staat en zijn specifieke buren heeft. De atomaire structuur kan min of meer rigide zijn. Elk atoom trilt om zijn evenwichtspositie.
Configuratie en parameters
Het komt voor dat sommige delen van het molecuul roteren ten opzichte van andere delen. Dus tijdens het proces van thermische beweging neemt een vrij molecuul bizarre vormen (configuraties) aan.
Kortom, de eigenschappen van moleculen worden bepaald door de binding (het type) tussen atomen en de architectuur van het molecuul zelf (structuur, vorm). De algemene chemische theorie houdt dus allereerst rekening met chemische bindingen en is gebaseerd op de eigenschappen van atomen.
Met een sterke polariteit zijn de eigenschappen van moleculen moeilijk te beschrijven met twee- of drieconstante correlaties, die uitstekend zijn voor niet-polaire moleculen. Daarom werd een extra parameter met een dipoolmoment geïntroduceerd. Maar deze methode is niet altijd succesvol, omdat polaire moleculen individuele kenmerken hebben. Er zijn ook parameters voorgesteld om rekening te houden met kwantumeffecten, die belangrijk zijn bij lage temperaturen.
Wat weten we over het molecuul van de meest voorkomende stof op aarde?
Van alle stoffen op onze planeet is water de meest voorkomende. Het, in de letterlijke zin, voorziet in leven voor alles wat op aarde bestaat. Alleen virussen kunnen zonder, de rest van de levende structuren in hun samenstelling hebben voor het grootste deel water. Welke eigenschappen van het watermolecuul, die er alleen voor zijn, worden gebruikt in het economische leven van de mens en de natuur op aarde?
Dit is tenslotte een werkelijk unieke stof! Geen enkele andere stof kan bogen op een reeks eigenschappen die inherent zijn aan water.
Water is het belangrijkste oplosmiddel in de natuur. Alle reacties die in levende organismen voorkomen, vinden op de een of andere manier plaats in het aquatisch milieu. Dat wil zeggen, stoffen gaan reacties aan terwijl ze in opgeloste toestand zijn.
Water heeft een uitstekende warmtecapaciteit, maar een lage thermische geleidbaarheid. Dankzij deze eigenschappen kunnen we het gebruiken als warmtetransport. Dit principe is verwerkt in het koelmechanisme van een groot aantal organismen. In de kernenergie-industrie gaven de eigenschappen van het watermolecuul aanleiding tot het gebruik van deze stof als koelmiddel. Naast de mogelijkheid om een reactief medium te zijn voor andere stoffen, kan water zelf reacties aangaan: fotolyse, hydratatie en andere.
Natuurlijk zuiver water is een geurloze, kleurloze en smaakloze vloeistof. Maar bij een laagdikte van meer dan 2 meter wordt de kleur blauwachtig.
Het hele watermolecuul is een dipool (twee tegenovergestelde polen). Het is de dipoolstructuur inbepa alt vooral de ongebruikelijke eigenschappen van deze stof. Het watermolecuul is een diamagneet.
Metaalwater heeft nog een andere interessante eigenschap: het molecuul krijgt de structuur van de gulden snede en de structuur van de stof krijgt de verhoudingen van de gulden snede. Veel van de eigenschappen van het watermolecuul zijn vastgesteld door de absorptie en emissie van gestreepte spectra in de gasfase te analyseren.
Wetenschap en moleculaire eigenschappen
Alle stoffen, behalve chemische, hebben de fysieke eigenschappen van de moleculen waaruit hun structuur bestaat.
In de natuurkunde wordt het concept van moleculen gebruikt om de eigenschappen van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen te verklaren. Het vermogen van alle stoffen om te diffunderen, hun viscositeit, thermische geleidbaarheid en andere eigenschappen worden bepaald door de mobiliteit van moleculen. Toen de Franse natuurkundige Jean Perrin de Brownse beweging bestudeerde, bewees hij experimenteel het bestaan van moleculen. Alle levende organismen bestaan dankzij een fijn uitgebalanceerde interne interactie in de structuur. Alle chemische en fysische eigenschappen van stoffen zijn van fundamenteel belang voor de natuurwetenschap. De ontwikkeling van natuurkunde, scheikunde, biologie en moleculaire fysica gaf aanleiding tot een wetenschap als moleculaire biologie, die de basisverschijnselen in het leven bestudeert.
Met behulp van statistische thermodynamica bepalen de fysische eigenschappen van moleculen, die worden bepaald door moleculaire spectroscopie, in de fysische chemie de thermodynamische eigenschappen van stoffen die nodig zijn om chemische evenwichten te berekenen en de snelheden van hun vestiging.
Wat is het verschil tussen de eigenschappen van atomen en moleculen?
Allereerst komen atomen niet voor in de vrije staat.
Moleculen hebben rijkere optische spectra. Dit komt door de lagere symmetrie van het systeem en de opkomst van de mogelijkheid van nieuwe rotaties en oscillaties van de kernen. Voor een molecuul bestaat de totale energie uit drie energieën die verschillen in volgorde van grootte van de componenten:
- elektronische schaal (optische of ultraviolette straling);
- trillingen van kernen (infrarood deel van het spectrum);
- rotatie van het molecuul als geheel (radiofrequentiebereik).
Atomen zenden karakteristieke lijnspectra uit, terwijl moleculen gestreepte spectra uitstralen die bestaan uit vele dicht bij elkaar staande lijnen.
Spectrale analyse
Optische, elektrische, magnetische en andere eigenschappen van een molecuul worden ook bepaald door de verbinding met de golffuncties. Gegevens over de toestanden van moleculen en de waarschijnlijke overgang daartussen tonen moleculaire spectra.
Overgangen (elektronisch) in moleculen tonen chemische bindingen en de structuur van hun elektronenschillen. Spectra met meer verbindingen hebben absorptiebanden met lange golflengte die in het zichtbare gebied vallen. Als een stof uit zulke moleculen is opgebouwd, heeft deze een karakteristieke kleur. Dit zijn allemaal organische kleurstoffen.
Eigenschappen van moleculen van dezelfde stof zijn hetzelfde in alle aggregatietoestanden. Dit betekent dat in dezelfde stoffen de eigenschappen van de moleculen van vloeibare, gasvormige stoffen niet verschillen van de eigenschappen van de vaste stof. Het molecuul van een stof heeft altijd dezelfde structuur, ongeachtgeaggregeerde toestand van de materie zelf.
Elektrische gegevens
Het gedrag van een stof in een elektrisch veld wordt bepaald door de elektrische eigenschappen van de moleculen: polariseerbaarheid en permanent dipoolmoment.
Dipoolmoment is de elektrische asymmetrie van een molecuul. Moleculen met een symmetriecentrum zoals H2 hebben geen permanent dipoolmoment. Het vermogen van de elektronenschil van een molecuul om onder invloed van een elektrisch veld te bewegen, waardoor daarin een geïnduceerd dipoolmoment ontstaat, is polariseerbaarheid. Om de waarde van polariseerbaarheid en dipoolmoment te vinden, is het noodzakelijk om de permittiviteit te meten.
Het gedrag van een lichtgolf in een wisselend elektrisch veld wordt gekenmerkt door de optische eigenschappen van een stof, die worden bepaald door de polariseerbaarheid van een molecuul van deze stof. Direct gerelateerd aan polariseerbaarheid zijn: verstrooiing, breking, optische activiteit en andere fenomenen van moleculaire optica.
Je hoort vaak de vraag: "Waar hangen, behalve moleculen, de eigenschappen van een stof van af?" Het antwoord is vrij eenvoudig.
Eigenschappen van stoffen, behalve isometrie en kristalstructuur, worden bepaald door de temperatuur van de omgeving, de stof zelf, druk, de aanwezigheid van onzuiverheden.
Chemie van moleculen
Vóór de vorming van de wetenschap van de kwantummechanica, was de aard van chemische bindingen in moleculen een onopgelost mysterie. Klassieke natuurkunde verklaart directionaliteit enverzadiging van valentie-obligaties kon dat niet. Na het creëren van theoretische basisinformatie over de chemische binding (1927) met behulp van het voorbeeld van het eenvoudigste H2-molecuul, begonnen de theorie en berekeningsmethoden geleidelijk te worden verbeterd. Op basis van het wijdverbreide gebruik van de methode van moleculaire orbitalen, kwantumchemie, werd het bijvoorbeeld mogelijk om interatomaire afstanden, de energie van moleculen en chemische bindingen, de verdeling van elektronendichtheid en andere gegevens te berekenen die volledig samenvielen met experimentele gegevens.
Stoffen met dezelfde samenstelling, maar een verschillende chemische structuur en verschillende eigenschappen, worden structurele isomeren genoemd. Ze hebben verschillende structuurformules, maar dezelfde molecuulformules.
Er zijn verschillende soorten structurele isomerie bekend. De verschillen zitten in de structuur van het koolstofskelet, de positie van de functionele groep of de positie van de meervoudige binding. Daarnaast zijn er nog steeds ruimtelijke isomeren waarin de eigenschappen van een stofmolecuul worden gekenmerkt door dezelfde samenstelling en chemische structuur. Daarom zijn zowel structurele als moleculaire formules hetzelfde. De verschillen zitten in de ruimtelijke vorm van het molecuul. Er worden speciale formules gebruikt om verschillende ruimtelijke isomeren weer te geven.
Er zijn verbindingen die homologen worden genoemd. Ze zijn vergelijkbaar in structuur en eigenschappen, maar verschillen in samenstelling door een of meer CH2-groepen. Alle stoffen die qua structuur en eigenschappen vergelijkbaar zijn, worden gecombineerd tot homologe reeksen. Na de eigenschappen van één homoloog te hebben bestudeerd, kan men over een andere redeneren. De verzameling homologen is een homologe reeks.
Bij het transformeren van de structuren van materiede chemische eigenschappen van moleculen veranderen drastisch. Zelfs de eenvoudigste verbindingen dienen als voorbeeld: methaan, wanneer gecombineerd met zelfs maar één zuurstofatoom, wordt een giftige vloeistof genaamd methanol (methylalcohol - CH3OH). Dienovereenkomstig worden de chemische complementariteit en het effect op levende organismen anders. Soortgelijke maar complexere veranderingen treden op bij het wijzigen van de structuren van biomoleculen.
Chemische moleculaire eigenschappen zijn sterk afhankelijk van de structuur en eigenschappen van moleculen: van de energiebindingen erin en de geometrie van het molecuul zelf. Dit geldt met name voor biologisch actieve verbindingen. Welke concurrerende reactie de overhand zal hebben, wordt vaak alleen bepaald door ruimtelijke factoren, die op hun beurt afhangen van de initiële moleculen (hun configuratie). Een molecuul met een "ongemakkelijke" configuratie zal helemaal niet reageren, terwijl een ander met dezelfde chemische samenstelling maar een andere geometrie onmiddellijk kan reageren.
Een groot aantal biologische processen die tijdens groei en reproductie worden waargenomen, houdt verband met de geometrische relaties tussen de reactieproducten en de uitgangsmaterialen. Ter informatie: de werking van een aanzienlijk aantal nieuwe medicijnen is gebaseerd op een vergelijkbare moleculaire structuur van een verbinding die biologisch schadelijk is voor het menselijk lichaam. Het medicijn neemt de plaats in van het schadelijke molecuul en maakt het moeilijk om te handelen.
Met behulp van chemische formules worden de samenstelling en eigenschappen van de moleculen van verschillende stoffen uitgedrukt. Op basis van het molecuulgewicht, chemische analyse, wordt de atomaire verhouding vastgesteld en samengesteldempirische formule.
Geometrie
Bepaling van de geometrische structuur van een molecuul wordt gedaan rekening houdend met de evenwichtsrangschikking van atoomkernen. De energie van interactie van atomen hangt af van de afstand tussen de kernen van atomen. Op zeer grote afstanden is deze energie nul. Naarmate de atomen elkaar naderen, begint zich een chemische binding te vormen. Dan worden de atomen sterk tot elkaar aangetrokken.
Als er een zwakke aantrekkingskracht is, is de vorming van een chemische binding niet nodig. Als de atomen op kleinere afstanden beginnen te naderen, beginnen elektrostatische afstotende krachten tussen de kernen in te werken. Een obstakel voor een sterke convergentie van atomen is de onverenigbaarheid van hun interne elektronenschillen.
Maten
Het is onmogelijk om moleculen met het blote oog te zien. Ze zijn zo klein dat zelfs een microscoop met een vergroting van 1000x ons niet zal helpen ze te zien. Biologen observeren bacteriën zo klein als 0,001 mm. Maar moleculen zijn honderden en duizenden keren kleiner.
Tegenwoordig wordt de structuur van moleculen van een bepaalde stof bepaald door diffractiemethoden: neutronendiffractie, röntgendiffractie-analyse. Er is ook vibrationele spectroscopie en de elektronenparamagnetische methode. De keuze van de methode hangt af van het type stof en de toestand ervan.
De grootte van een molecuul is een voorwaardelijke waarde, rekening houdend met de elektronenschil. Het punt is de afstand van elektronen tot atoomkernen. Hoe groter ze zijn, hoe minder waarschijnlijk het is om de elektronen van het molecuul te vinden. In de praktijk kan de grootte van de moleculen worden bepaald door rekening te houden met de evenwichtsafstand. Dit is het interval waarin de moleculen zelf elkaar kunnen naderen wanneer ze dicht opeengepakt zijn in een moleculair kristal en in een vloeistof.
Grote afstanden hebben moleculen om aan te trekken, en kleine juist afstoting. Daarom helpt röntgendiffractie-analyse van moleculaire kristallen om de afmetingen van het molecuul te vinden. Met behulp van de diffusiecoëfficiënt, thermische geleidbaarheid en viscositeit van gassen, evenals de dichtheid van een stof in gecondenseerde toestand, kan men de orde van grootte van molecuulgroottes bepalen.
