Všetky telá, ktoré nás obklopujú, sa skladajú z atómov. Atómy sa zase skladajú do molekuly. Je to kvôli rozdielu v molekulárnej štruktúre, že možno hovoriť o látkach, ktoré sa navzájom líšia na základe svojich vlastností a parametrov. Molekuly a atómy sú vždy v stave dynamiky. Pohybujú sa, stále sa nerozptyľujú rôznymi smermi, ale sú držané v určitej štruktúre, za ktorú vďačíme existencii takého obrovského množstva látok v celom svete okolo nás. Čo sú tieto častice a aké sú ich vlastnosti?
Všeobecné pojmy
Ak vychádzame z teórie kvantovej mechaniky, tak molekula sa neskladá z atómov, ale ich jadier a elektrónov, ktoré spolu neustále interagujú.
Pre niektoré látky je molekula najmenšia častica, ktorá má zloženie a chemické vlastnosti samotnej látky. Vlastnosti molekúl z hľadiska chémie sú teda určené ich chemickou štruktúrou azloženie. Ale len pre látky s molekulárnou štruktúrou platí pravidlo: chemické vlastnosti látok a molekúl sú rovnaké. Pri niektorých polyméroch, ako je etylén a polyetylén, sa zloženie nezhoduje s molekulovým zložením.
Je známe, že vlastnosti molekúl určuje nielen počet atómov, ich typ, ale aj konfigurácia, poradie spojenia. Molekula je komplexná architektonická štruktúra, kde každý prvok stojí na svojom mieste a má svojich špecifických susedov. Atómová štruktúra môže byť viac alebo menej tuhá. Každý atóm vibruje okolo svojej rovnovážnej polohy.
Konfigurácia a parametre
Stáva sa, že niektoré časti molekuly rotujú vo vzťahu k iným častiam. V procese tepelného pohybu teda voľná molekula nadobúda bizarné tvary (konfigurácie).
Vlastnosti molekúl sú v podstate určené väzbou (jej typom) medzi atómami a architektúrou samotnej molekuly (štruktúra, tvar). V prvom rade teda všeobecná chemická teória uvažuje o chemických väzbách a je založená na vlastnostiach atómov.
So silnou polaritou je ťažké opísať vlastnosti molekúl pomocou dvoj- alebo trojkonštantných korelácií, ktoré sú vynikajúce pre nepolárne molekuly. Preto bol zavedený dodatočný parameter s dipólovým momentom. Táto metóda však nie je vždy úspešná, pretože polárne molekuly majú individuálne vlastnosti. Boli navrhnuté aj parametre, ktoré zohľadňujú kvantové efekty, ktoré sú dôležité pri nízkych teplotách.
Čo vieme o molekule najbežnejšej látky na Zemi?
Zo všetkých látok na našej planéte je najbežnejšia voda. V doslovnom zmysle poskytuje život všetkému, čo na Zemi existuje. Iba vírusy sa bez neho zaobídu, zvyšok živých štruktúr v ich zložení má z väčšej časti vodu. Aké vlastnosti molekuly vody, charakteristické len pre ňu, sa využívajú v hospodárskom živote človeka a voľne žijúcich živočíchov na Zemi?
Toto je predsa naozaj jedinečná látka! Žiadna iná látka sa nemôže pochváliť súborom vlastností, ktoré sú vode vlastné.
Voda je hlavným rozpúšťadlom v prírode. Všetky reakcie vyskytujúce sa v živých organizmoch tak či onak prebiehajú vo vodnom prostredí. To znamená, že látky vstupujú do reakcií v rozpustenom stave.
Voda má vynikajúcu tepelnú kapacitu, ale nízku tepelnú vodivosť. Vďaka týmto vlastnostiam ho môžeme využiť ako transport tepla. Tento princíp je súčasťou chladiaceho mechanizmu veľkého počtu organizmov. V jadrovej energetike vlastnosti molekuly vody viedli k použitiu tejto látky ako chladiva. Okrem možnosti byť reaktívnym médiom pre iné látky, samotná voda môže vstúpiť do reakcií: fotolýza, hydratácia a iné.
Prírodná čistá voda je kvapalina bez zápachu, farby a chuti. Ale pri hrúbke vrstvy väčšej ako 2 metre sa farba zmení na modrastú.
Celá molekula vody je dipól (dva opačné póly). Je to dipólová štruktúra vurčuje najmä nezvyčajné vlastnosti tejto látky. Molekula vody je diamagnet.
Kovová voda má ešte jednu zaujímavú vlastnosť: jej molekula nadobúda štruktúru zlatého rezu a štruktúra látky proporcie zlatého rezu. Mnohé z vlastností molekuly vody boli stanovené analýzou absorpcie a emisie pruhovaných spektier v plynnej fáze.
Veda a molekulárne vlastnosti
Všetky látky, okrem chemických, majú fyzikálne vlastnosti molekúl, ktoré tvoria ich štruktúru.
Vo fyzike sa pojem molekúl používa na vysvetlenie vlastností pevných látok, kvapalín a plynov. Schopnosť všetkých látok difundovať, ich viskozita, tepelná vodivosť a ďalšie vlastnosti sú určené pohyblivosťou molekúl. Keď francúzsky fyzik Jean Perrin študoval Brownov pohyb, experimentálne dokázal existenciu molekúl. Všetky živé organizmy existujú vďaka jemne vyváženej vnútornej interakcii v štruktúre. Všetky chemické a fyzikálne vlastnosti látok majú pre prírodné vedy zásadný význam. Rozvoj fyziky, chémie, biológie a molekulárnej fyziky dal vzniknúť takej vede ako molekulárna biológia, ktorá študuje základné javy v živote.
Fyzikálne vlastnosti molekúl, ktoré sú určené molekulovou spektroskopiou, pomocou štatistickej termodynamiky určujú vo fyzikálnej chémii termodynamické vlastnosti látok potrebných na výpočet chemických rovnováh a rýchlosti ich vytvárania.
Aký je rozdiel medzi vlastnosťami atómov a molekúl?
V prvom rade sa atómy nevyskytujú vo voľnom stave.
Molekuly majú bohatšie optické spektrá. Je to spôsobené nižšou symetriou systému a vznikom možnosti nových rotácií a kmitov jadier. V prípade molekuly sa celková energia skladá z troch energií, ktoré sa líšia v poradí podľa veľkosti zložiek:
- elektronický obal (optické alebo ultrafialové žiarenie);
- vibrácie jadier (infračervená časť spektra);
- rotácia molekuly ako celku (rádiofrekvenčný rozsah).
Atómy vyžarujú charakteristické čiarové spektrá, zatiaľ čo molekuly vyžarujú pásikavé spektrá pozostávajúce z mnohých tesne rozmiestnených čiar.
Spektrálna analýza
Optické, elektrické, magnetické a iné vlastnosti molekuly sú tiež určené prepojením s vlnovými funkciami. Údaje o stave molekúl a pravdepodobnom prechode medzi nimi ukazujú molekulové spektrá.
Prechody (elektronické) v molekulách ukazujú chemické väzby a štruktúru ich elektrónových obalov. Spektrá s viacerými spojeniami majú dlhovlnné absorpčné pásy, ktoré spadajú do viditeľnej oblasti. Ak je látka vytvorená z takýchto molekúl, má charakteristickú farbu. Všetko sú to organické farbivá.
Vlastnosti molekúl tej istej látky sú rovnaké vo všetkých stavoch agregácie. To znamená, že v tých istých látkach sa vlastnosti molekúl kvapalných, plynných látok nelíšia od vlastností tuhej látky. Molekula jednej látky má vždy rovnakú štruktúru, bez ohľadu nasúhrnný stav samotnej hmoty.
Elektrické údaje
Spôsob, akým sa látka správa v elektrickom poli, je určený elektrickými charakteristikami molekúl: polarizovateľnosťou a permanentným dipólovým momentom.
Dipólový moment je elektrická asymetria molekuly. Molekuly, ktoré majú stred symetrie ako H2, nemajú trvalý dipólový moment. Schopnosť elektrónového obalu molekuly pohybovať sa vplyvom elektrického poľa, v dôsledku čoho v ňom vzniká indukovaný dipólový moment, je polarizovateľnosť. Na zistenie hodnoty polarizovateľnosti a dipólového momentu je potrebné zmerať permitivitu.
Správanie sa svetelnej vlny v striedavom elektrickom poli je charakterizované optickými vlastnosťami látky, ktoré sú určené polarizovateľnosťou molekuly tejto látky. S polarizovateľnosťou priamo súvisia: rozptyl, lom, optická aktivita a iné javy molekulárnej optiky.
Často môžeme počuť otázku: „Na čom okrem molekúl závisia vlastnosti látky?“Odpoveď je celkom jednoduchá.
Vlastnosti látok, okrem izometrie a kryštálovej štruktúry, sú určené teplotou prostredia, látkou samotnou, tlakom, prítomnosťou nečistôt.
Chémia molekúl
Pred vytvorením vedy o kvantovej mechanike bola povaha chemických väzieb v molekulách nevyriešenou záhadou. Klasická fyzika vysvetľuje smerovosť asaturácia valenčných väzieb nemohla. Po vytvorení základných teoretických informácií o chemickej väzbe (1927) na príklade najjednoduchšej molekuly H2 sa teória a metódy výpočtu začali postupne zdokonaľovať. Napríklad na základe rozšíreného používania metódy molekulárnych orbitálov, kvantovej chémie, bolo možné vypočítať medziatómové vzdialenosti, energiu molekúl a chemických väzieb, distribúciu hustoty elektrónov a ďalšie údaje, ktoré sa úplne zhodovali s experimentálnymi údajmi.
Látky s rovnakým zložením, ale odlišnou chemickou štruktúrou a rôznymi vlastnosťami sa nazývajú štruktúrne izoméry. Majú rôzne štruktúrne vzorce, ale rovnaké molekulové vzorce.
Sú známe rôzne typy štruktúrnych izomérií. Rozdiely spočívajú v štruktúre uhlíkového skeletu, polohe funkčnej skupiny, či polohe násobnej väzby. Okrem toho ešte stále existujú priestorové izoméry, v ktorých sú vlastnosti molekuly látky charakterizované rovnakým zložením a chemickou štruktúrou. Preto sú štruktúrne aj molekulárne vzorce rovnaké. Rozdiely spočívajú v priestorovom tvare molekuly. Na vyjadrenie rôznych priestorových izomérov sa používajú špeciálne vzorce.
Existujú zlúčeniny, ktoré sa nazývajú homológy. Sú podobné štruktúrou a vlastnosťami, ale líšia sa v zložení jednou alebo viacerými skupinami CH2. Všetky látky podobné štruktúrou a vlastnosťami sú spojené do homológnych sérií. Po preštudovaní vlastností jedného homológu je možné uvažovať o ktoromkoľvek inom. Sada homológov je homologická séria.
Pri premene štruktúr hmotychemické vlastnosti molekúl sa dramaticky menia. Aj tie najjednoduchšie zlúčeniny slúžia ako príklad: metán sa po spojení čo i len s jedným atómom kyslíka stáva jedovatou kvapalinou nazývanou metanol (metylalkohol - CH3OH). V súlade s tým sa jeho chemická komplementarita a účinok na živé organizmy stávajú odlišnými. K podobným, ale zložitejším zmenám dochádza pri modifikácii štruktúr biomolekúl.
Chemické molekulárne vlastnosti silne závisia od štruktúry a vlastností molekúl: od energetických väzieb v nich a od geometrie samotnej molekuly. To platí najmä pre biologicky aktívne zlúčeniny. O tom, ktorá konkurenčná reakcia bude prevládať, často rozhodujú iba priestorové faktory, ktoré zase závisia od počiatočných molekúl (ich konfigurácie). Jedna molekula s "nepohodlnou" konfiguráciou nebude reagovať vôbec, zatiaľ čo druhá s rovnakým chemickým zložením, ale inou geometriou môže reagovať okamžite.
Veľký počet biologických procesov pozorovaných počas rastu a reprodukcie súvisí s geometrickými vzťahmi medzi reakčnými produktmi a východiskovými materiálmi. Pre vašu informáciu: účinok veľkého množstva nových liekov je založený na podobnej molekulárnej štruktúre zlúčeniny, ktorá je z biologického hľadiska škodlivá pre ľudský organizmus. Droga nahrádza škodlivú molekulu a sťažuje jej pôsobenie.
Pomocou chemických vzorcov sa vyjadruje zloženie a vlastnosti molekúl rôznych látok. Na základe molekulovej hmotnosti, chemickej analýzy sa stanoví a zostaví atómový pomerempirický vzorec.
Geometria
Určenie geometrickej štruktúry molekuly sa robí s prihliadnutím na rovnovážne usporiadanie atómových jadier. Energia interakcie atómov závisí od vzdialenosti medzi jadrami atómov. Na veľmi veľké vzdialenosti je táto energia nulová. Keď sa atómy približujú k sebe, začína sa vytvárať chemická väzba. Potom sú atómy navzájom silne priťahované.
Ak existuje slabá príťažlivosť, vytvorenie chemickej väzby nie je potrebné. Ak sa atómy začnú približovať na bližšiu vzdialenosť, medzi jadrami začnú pôsobiť elektrostatické odpudivé sily. Prekážkou silnej konvergencie atómov je nekompatibilita ich vnútorných elektrónových obalov.
Veľkosti
Voľným okom nie je možné vidieť molekuly. Sú také malé, že ani mikroskop s 1000-násobným zväčšením nám ich nepomôže vidieť. Biológovia pozorujú baktérie s veľkosťou len 0,001 mm. Ale molekuly sú stovky a tisíckrát menšie.
Štruktúra molekúl určitej látky sa dnes určuje difrakčnými metódami: neutrónová difrakcia, röntgenová difrakčná analýza. Existuje aj vibračná spektroskopia a elektrónová paramagnetická metóda. Výber metódy závisí od typu látky a jej stavu.
Veľkosť molekuly je podmienená hodnota, berúc do úvahy elektrónový obal. Ide o vzdialenosti elektrónov od atómových jadier. Čím sú väčšie, tým je menej pravdepodobné, že nájdu elektróny molekuly. V praxi možno veľkosť molekúl určiť tak, že sa vezme do úvahy rovnovážna vzdialenosť. Toto je interval, počas ktorého sa môžu samotné molekuly k sebe priblížiť, keď sú husto zabalené v molekulárnom kryštáli a v kvapaline.
Veľké vzdialenosti majú molekuly na priťahovanie a malé, naopak, na odpudzovanie. Preto röntgenová difrakčná analýza molekulových kryštálov pomáha nájsť rozmery molekuly. Pomocou koeficientu difúzie, tepelnej vodivosti a viskozity plynov, ako aj hustoty látky v kondenzovanom stave je možné určiť rádovú veľkosť molekúl.
