Všechna těla, která nás obklopují, se skládají z atomů. Atomy se zase skládají do molekuly. Právě díky rozdílu v molekulární struktuře lze hovořit o látkách, které se od sebe liší svými vlastnostmi a parametry. Molekuly a atomy jsou vždy ve stavu dynamiky. Pohybují se, stále se nerozptylují různými směry, ale jsou drženy v určité struktuře, které vděčíme za existenci tak obrovské rozmanitosti látek v celém světě kolem nás. Jaké jsou tyto částice a jaké jsou jejich vlastnosti?
Obecné pojmy
Pokud vyjdeme z teorie kvantové mechaniky, pak se molekula neskládá z atomů, ale z jejich jader a elektronů, které spolu neustále interagují.
U některých látek je molekula nejmenší částicí, která má složení a chemické vlastnosti samotné látky. Vlastnosti molekul z hlediska chemie jsou tedy určeny její chemickou strukturou asložení. Ale pouze u látek s molekulární strukturou platí pravidlo: chemické vlastnosti látek a molekul jsou stejné. U některých polymerů, jako je ethylen a polyethylen, složení neodpovídá molekulárnímu složení.
Je známo, že vlastnosti molekul jsou určeny nejen počtem atomů, jejich typem, ale také konfigurací, pořadím spojení. Molekula je složitá architektonická struktura, kde každý prvek stojí na svém místě a má své specifické sousedy. Atomová struktura může být více či méně tuhá. Každý atom vibruje kolem své rovnovážné polohy.
Konfigurace a parametry
Stává se, že některé části molekuly rotují vzhledem k jiným částem. V procesu tepelného pohybu tedy volná molekula nabývá bizarních tvarů (konfigurací).
Vlastnosti molekul jsou v zásadě určeny vazbou (jejím typem) mezi atomy a architekturou molekuly samotné (struktura, tvar). Tak za prvé, obecná chemická teorie uvažuje o chemických vazbách a je založena na vlastnostech atomů.
Se silnou polaritou je obtížné popsat vlastnosti molekul pomocí dvou nebo tří konstantních korelací, které jsou vynikající pro nepolární molekuly. Proto byl zaveden další parametr s dipólovým momentem. Tato metoda však není vždy úspěšná, protože polární molekuly mají individuální vlastnosti. Byly také navrženy parametry, které zohledňují kvantové efekty, které jsou důležité při nízkých teplotách.
Co víme o molekule nejběžnější látky na Zemi?
Ze všech látek na naší planetě je nejběžnější voda. V doslovném smyslu poskytuje život všemu, co na Zemi existuje. Obejdou se bez něj pouze viry, zbytek živých struktur ve svém složení má z větší části vodu. Jaké vlastnosti molekuly vody, charakteristické pouze pro ni, se využívají v ekonomickém životě člověka a divoké zvěře na Zemi?
Vždyť je to skutečně jedinečná látka! Žádná jiná látka se nemůže pochlubit sadou vlastností, které jsou vodě vlastní.
Voda je hlavním rozpouštědlem v přírodě. Všechny reakce probíhající v živých organismech tak či onak probíhají ve vodním prostředí. To znamená, že látky vstupují do reakcí v rozpuštěném stavu.
Voda má vynikající tepelnou kapacitu, ale nízkou tepelnou vodivost. Díky těmto vlastnostem jej můžeme využít jako transport tepla. Tento princip je součástí chladicího mechanismu velkého množství organismů. V jaderné energetice daly vlastnosti molekuly vody podnět k použití této látky jako chladiva. Kromě možnosti být reaktivním prostředím pro jiné látky může voda samotná vstupovat do reakcí: fotolýza, hydratace a další.
Přírodní čistá voda je kapalina bez zápachu, barvy a chuti. Ale při tloušťce vrstvy větší než 2 metry se barva změní na namodralou.
Celá molekula vody je dipól (dva opačné póly). Je to dipólová struktura vurčuje především neobvyklé vlastnosti této látky. Molekula vody je diamagnet.
Kovová voda má ještě jednu zajímavou vlastnost: její molekula získává strukturu zlatého řezu a struktura látky získává proporce zlatého řezu. Mnoho vlastností molekuly vody bylo stanoveno analýzou absorpce a emise pruhovaných spekter v plynné fázi.
Věda a molekulární vlastnosti
Všechny látky, kromě chemických, mají fyzikální vlastnosti molekul, které tvoří jejich strukturu.
Ve fyzikální vědě se pojem molekul používá k vysvětlení vlastností pevných látek, kapalin a plynů. Schopnost všech látek difundovat, jejich viskozita, tepelná vodivost a další vlastnosti jsou dány pohyblivostí molekul. Když francouzský fyzik Jean Perrin studoval Brownův pohyb, experimentálně dokázal existenci molekul. Všechny živé organismy existují díky jemně vyvážené vnitřní interakci ve struktuře. Všechny chemické a fyzikální vlastnosti látek mají pro přírodní vědy zásadní význam. Rozvoj fyziky, chemie, biologie a molekulární fyziky dal vzniknout vědě jako je molekulární biologie, která studuje základní jevy v životě.
Pomocí statistické termodynamiky určují fyzikální vlastnosti molekul, které jsou určeny molekulární spektroskopií, ve fyzikální chemii termodynamické vlastnosti látek nezbytných pro výpočet chemických rovnováh a rychlosti jejich ustavení.
Jaký je rozdíl mezi vlastnostmi atomů a molekul?
Za prvé, atomy se nevyskytují ve volném stavu.
Molekuly mají bohatší optická spektra. Je to dáno nižší symetrií systému a vznikem možnosti nových rotací a kmitů jader. U molekuly se celková energie skládá ze tří energií, které se liší podle velikosti složek:
- elektronický obal (optické nebo ultrafialové záření);
- vibrace jader (infračervená část spektra);
- rotace molekuly jako celku (radiofrekvenční rozsah).
Atomy vyzařují charakteristická čárová spektra, zatímco molekuly vyzařují pruhovaná spektra skládající se z mnoha těsně od sebe vzdálených čar.
Spektrální analýza
Optické, elektrické, magnetické a další vlastnosti molekuly jsou také určeny spojením s vlnovými funkcemi. Údaje o stavech molekul a pravděpodobném přechodu mezi nimi ukazují molekulární spektra.
Přechody (elektronické) v molekulách ukazují chemické vazby a strukturu jejich elektronových obalů. Spektra s více spojeními mají dlouhovlnná absorpční pásma, která spadají do viditelné oblasti. Pokud je látka postavena z takových molekul, má charakteristickou barvu. To vše jsou organická barviva.
Vlastnosti molekul stejné látky jsou stejné ve všech stavech agregace. To znamená, že ve stejných látkách se vlastnosti molekul kapalných, plynných látek neliší od vlastností pevných látek. Molekula jedné látky má vždy stejnou strukturu, bez ohledu naagregovaný stav samotné hmoty.
Elektrická data
Způsob, jakým se látka chová v elektrickém poli, je určen elektrickými charakteristikami molekul: polarizovatelností a permanentním dipólovým momentem.
Dipólový moment je elektrická asymetrie molekuly. Molekuly, které mají střed symetrie jako H2, nemají trvalý dipólový moment. Schopnost elektronového obalu molekuly pohybovat se vlivem elektrického pole, v důsledku čehož v něm vzniká indukovaný dipólový moment, je polarizovatelnost. Pro zjištění hodnoty polarizovatelnosti a dipólového momentu je nutné změřit permitivitu.
Chování světelné vlny ve střídavém elektrickém poli je charakterizováno optickými vlastnostmi látky, které jsou určeny polarizovatelností molekuly této látky. S polarizovatelností přímo souvisí: rozptyl, lom, optická aktivita a další jevy molekulární optiky.
Často lze slyšet otázku: „Na čem kromě molekul závisí vlastnosti látky?“Odpověď je docela jednoduchá.
Vlastnosti látek, kromě izometrie a krystalové struktury, jsou dány teplotou prostředí, látkou samotnou, tlakem, přítomností nečistot.
Chemie molekul
Před vytvořením vědy o kvantové mechanice byla povaha chemických vazeb v molekulách nevyřešenou záhadou. Klasická fyzika vysvětluje směrovost asaturace valenčních vazeb nemohla. Po vytvoření základních teoretických informací o chemické vazbě (1927) na příkladu nejjednodušší molekuly H2 se teorie a metody výpočtu začaly postupně zdokonalovat. Například na základě rozšířeného používání metody molekulárních orbitalů, kvantové chemie, bylo možné vypočítat meziatomové vzdálenosti, energii molekul a chemických vazeb, rozložení elektronové hustoty a další data, která se zcela shodovala s experimentálními daty.
Látky se stejným složením, ale odlišnou chemickou strukturou a odlišnými vlastnostmi, se nazývají strukturní izomery. Mají různé strukturní vzorce, ale stejné molekulární vzorce.
Jsou známy různé typy strukturních izomerií. Rozdíly spočívají ve struktuře uhlíkového skeletu, poloze funkční skupiny nebo poloze násobné vazby. Kromě toho stále existují prostorové izomery, u kterých jsou vlastnosti molekuly látky charakterizovány stejným složením a chemickou strukturou. Strukturní i molekulární vzorce jsou tedy stejné. Rozdíly spočívají v prostorovém tvaru molekuly. K vyjádření různých prostorových izomerů se používají speciální vzorce.
Existují sloučeniny, které se nazývají homology. Jsou podobné ve struktuře a vlastnostech, ale liší se složením jednou nebo více skupinami CH2. Všechny látky podobné strukturou a vlastnostmi jsou spojeny do homologických řad. Po prostudování vlastností jednoho homologu lze uvažovat o kterémkoli jiném. Sada homologů je homologická řada.
Při přeměně struktur hmotychemické vlastnosti molekul se dramaticky mění. I ty nejjednodušší sloučeniny slouží jako příklad: metan, když se spojí byť jen s jedním atomem kyslíku, se stane jedovatou kapalinou zvanou metanol (metylalkohol - CH3OH). V souladu s tím se jeho chemická komplementarita a účinek na živé organismy mění. K podobným, ale složitějším změnám dochází při modifikaci struktur biomolekul.
Chemické molekulární vlastnosti silně závisí na struktuře a vlastnostech molekul: na energetických vazbách v nich a geometrii samotné molekuly. To platí zejména pro biologicky aktivní sloučeniny. Která konkurenční reakce bude převládající je často určena pouze prostorovými faktory, které zase závisí na výchozích molekulách (jejich konfiguraci). Jedna molekula s "nepohodlnou" konfigurací nebude reagovat vůbec, zatímco jiná se stejným chemickým složením, ale jinou geometrií může reagovat okamžitě.
Velké množství biologických procesů pozorovaných během růstu a rozmnožování je spojeno s geometrickými vztahy mezi reakčními produkty a výchozími materiály. Pro vaši informaci: působení značného počtu nových léků je založeno na podobné molekulární struktuře sloučeniny, která je z biologického hlediska pro lidský organismus škodlivá. Droga nahrazuje škodlivou molekulu a ztěžuje její působení.
Pomocí chemických vzorců je vyjádřeno složení a vlastnosti molekul různých látek. Na základě molekulové hmotnosti, chemické analýzy se stanoví a sestaví atomový poměrempirický vzorec.
Geometrie
Určení geometrické struktury molekuly se provádí s přihlédnutím k rovnovážnému uspořádání atomových jader. Energie interakce atomů závisí na vzdálenosti mezi jádry atomů. Na velmi velké vzdálenosti je tato energie nulová. Jak se atomy přibližují k sobě, začíná se vytvářet chemická vazba. Poté jsou atomy k sobě silně přitahovány.
Pokud existuje slabá přitažlivost, vytvoření chemické vazby není nutné. Pokud se atomy začnou přibližovat na bližší vzdálenosti, začnou mezi jádry působit elektrostatické odpudivé síly. Překážkou silné konvergence atomů je nekompatibilita jejich vnitřních elektronových obalů.
Velikosti
Je nemožné vidět molekuly pouhým okem. Jsou tak malé, že nám je nepomůže vidět ani mikroskop s 1000násobným zvětšením. Biologové pozorují bakterie o velikosti 0,001 mm. Ale molekuly jsou stovky a tisíckrát menší.
Struktura molekul určité látky se dnes určuje difrakčními metodami: neutronová difrakce, rentgenová difrakční analýza. Existuje také vibrační spektroskopie a elektronová paramagnetická metoda. Výběr metody závisí na typu látky a jejím stavu.
Velikost molekuly je podmíněná hodnota s ohledem na elektronový obal. Pointou jsou vzdálenosti elektronů od atomových jader. Čím větší jsou, tím menší je pravděpodobnost nalezení elektronů molekuly. V praxi lze velikost molekul určit tak, že se vezme v úvahu rovnovážná vzdálenost. Toto je interval, po který se mohou samotné molekuly k sobě přiblížit, když jsou hustě zabaleny v molekulárním krystalu a v kapalině.
Velké vzdálenosti mají molekuly k přitahování a malé naopak k odpuzování. Proto rentgenová difrakční analýza molekulárních krystalů pomáhá najít rozměry molekuly. Pomocí koeficientu difúze, tepelné vodivosti a viskozity plynů a také hustoty látky v kondenzovaném stavu lze určit řádovou velikost molekulových velikostí.
