كل الأجسام التي تحيط بنا مكونة من ذرات. الذرات ، بدورها ، تتجمع في جزيء. بسبب الاختلاف في التركيب الجزيئي ، يمكن للمرء أن يتحدث عن مواد مختلفة عن بعضها البعض ، بناءً على خصائصها ومعاييرها. تكون الجزيئات والذرات دائمًا في حالة ديناميكية. أثناء الحركة ، لا يزالون لا ينتشرون في اتجاهات مختلفة ، لكنهم محتجزون في هيكل معين ، وهو ما ندين به لوجود مثل هذا التنوع الهائل من المواد في العالم كله من حولنا. ما هي هذه الجسيمات وما هي خصائصها؟
مفاهيم عامة
إذا بدأنا من نظرية ميكانيكا الكم ، فإن الجزيء لا يتكون من ذرات ، ولكن نواتها وإلكتروناتها ، والتي تتفاعل باستمرار مع بعضها البعض.
بالنسبة لبعض المواد ، الجزيء هو أصغر جزيء له التركيب والخصائص الكيميائية للمادة نفسها. لذلك ، يتم تحديد خصائص الجزيئات من وجهة نظر الكيمياء من خلال تركيبها الكيميائي وتعبير. ولكن فقط بالنسبة للمواد ذات التركيب الجزيئي ، تعمل القاعدة: الخصائص الكيميائية للمواد والجزيئات هي نفسها. بالنسبة لبعض البوليمرات ، مثل الإيثيلين والبولي إيثيلين ، فإن التركيب لا يتطابق مع التركيب الجزيئي.
من المعروف أن خصائص الجزيئات لا تحدد فقط بعدد الذرات ونوعها ، ولكن أيضًا من خلال التكوين وترتيب الاتصال. الجزيء عبارة عن هيكل معماري معقد ، حيث يقف كل عنصر في مكانه وله جيرانه المحددون. يمكن أن يكون التركيب الذري أكثر أو أقل صلابة. تهتز كل ذرة حول موقع توازنها.
التكوين والمعلمات
يحدث أن بعض أجزاء الجزيء تدور بالنسبة للأجزاء الأخرى. لذلك ، في عملية الحركة الحرارية ، يأخذ الجزيء الحر أشكالًا غريبة (تكوينات).
بشكل أساسي ، يتم تحديد خصائص الجزيئات من خلال الرابطة (نوعها) بين الذرات وبنية الجزيء نفسه (الهيكل والشكل). وهكذا ، أولاً وقبل كل شيء ، تنظر النظرية الكيميائية العامة في الروابط الكيميائية وتستند إلى خصائص الذرات.
مع قطبية قوية ، يصعب وصف خصائص الجزيئات بعلاقات ثنائية أو ثلاثية ثابتة ، وهي ممتازة للجزيئات غير القطبية. لذلك ، تم إدخال معلمة إضافية مع عزم ثنائي القطب. لكن هذه الطريقة ليست ناجحة دائمًا ، لأن الجزيئات القطبية لها خصائص فردية. تم اقتراح معلمات أيضًا لحساب التأثيرات الكمية ، والتي تعتبر مهمة في درجات الحرارة المنخفضة.
ما الذي نعرفه عن جزيء المادة الأكثر شيوعًا على الأرض؟
من بين جميع المواد الموجودة على كوكبنا ، فإن الماء هو الأكثر شيوعًا. إنه ، بالمعنى الحرفي ، يوفر الحياة لكل شيء موجود على الأرض. يمكن للفيروسات فقط الاستغناء عنها ، بينما تحتوي معظم الهياكل الحية في تكوينها على الماء. ما هي خصائص جزيء الماء ، المميزة له فقط ، المستخدمة في الحياة الاقتصادية للإنسان والحياة البرية على الأرض؟
بعد كل شيء ، هذه مادة فريدة حقًا! لا توجد مادة أخرى يمكنها التباهي بمجموعة من الخصائص الكامنة في الماء.
الماء هو المذيب الرئيسي في الطبيعة. تحدث جميع التفاعلات التي تحدث في الكائنات الحية بطريقة أو بأخرى في البيئة المائية. أي أن المواد تدخل في تفاعلات وهي في حالة مذابة.
للماء قدرة حرارية ممتازة ، ولكن الموصلية الحرارية منخفضة. بفضل هذه الخصائص ، يمكننا استخدامه كوسيلة لنقل الحرارة. يتم تضمين هذا المبدأ في آلية التبريد لعدد كبير من الكائنات الحية. في صناعة الطاقة النووية ، أدت خصائص جزيء الماء إلى استخدام هذه المادة كمبرد. بالإضافة إلى إمكانية كونه وسيطًا تفاعليًا للمواد الأخرى ، يمكن أن يدخل الماء نفسه في تفاعلات: التحلل الضوئي ، والترطيب ، وغيرها.
الماء النقي الطبيعي سائل عديم الرائحة واللون والطعم. لكن عند سماكة طبقة أكبر من 2 متر ، يصبح اللون مزرقًا.
جزيء الماء كله هو ثنائي القطب (قطبين متقابلين). إنه هيكل ثنائي القطب فييحدد بشكل أساسي الخصائص غير العادية لهذه المادة. جزيء الماء عبارة عن مغناطيس.
المياه المعدنية لها خاصية أخرى مثيرة للاهتمام: جزيئها يكتسب بنية النسبة الذهبية ، وتكتسب بنية المادة نسب المقطع الذهبي. تم إنشاء العديد من خصائص جزيء الماء من خلال تحليل امتصاص وانبعاث الأطياف المخططة في الطور الغازي.
العلوم والخصائص الجزيئية
جميع المواد ، باستثناء المواد الكيميائية ، لها الخصائص الفيزيائية للجزيئات التي تشكل هيكلها.
في العلوم الفيزيائية ، يستخدم مفهوم الجزيئات لشرح خصائص المواد الصلبة والسوائل والغازات. يتم تحديد قدرة جميع المواد على الانتشار ولزوجتها والتوصيل الحراري وخصائص أخرى من خلال تنقل الجزيئات. عندما كان الفيزيائي الفرنسي جان بيرين يدرس الحركة البراونية ، أثبت تجريبياً وجود الجزيئات. توجد جميع الكائنات الحية بسبب تفاعل داخلي متوازن بدقة في الهيكل. جميع الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمواد ذات أهمية أساسية للعلوم الطبيعية. أدى تطور الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا والفيزياء الجزيئية إلى ظهور علم مثل البيولوجيا الجزيئية ، والذي يدرس الظواهر الأساسية في الحياة.
باستخدام الديناميكا الحرارية الإحصائية ، تحدد الخصائص الفيزيائية للجزيئات ، والتي يتم تحديدها بواسطة التحليل الطيفي الجزيئي ، في الكيمياء الفيزيائية الخصائص الديناميكية الحرارية للمواد اللازمة لحساب التوازن الكيميائي ومعدلات إنشائها.
ما الفرق بين خصائص الذرات والجزيئات؟
بادئ ذي بدء ، الذرات لا تحدث في الحالة الحرة.
الجزيئات لها أطياف بصرية أغنى. ويرجع ذلك إلى انخفاض تناسق النظام وظهور إمكانية حدوث دورات وتذبذبات جديدة للنواة. بالنسبة للجزيء ، تتكون الطاقة الكلية من ثلاث طاقات مختلفة من حيث حجم المكونات:
- غلاف إلكتروني (إشعاع بصري أو فوق بنفسجي) ؛
- اهتزازات النوى (جزء الأشعة تحت الحمراء من الطيف) ؛
- دوران الجزيء ككل (نطاق تردد الراديو).
الذرات تنبعث منها أطياف خطية مميزة ، بينما تنبعث الجزيئات أطياف مخططة تتكون من العديد من الخطوط المتقاربة.
التحليل الطيفي
يتم أيضًا تحديد الخصائص البصرية والكهربائية والمغناطيسية وغيرها من الخصائص للجزيء من خلال الاتصال بوظائف الموجة. تُظهر البيانات المتعلقة بحالة الجزيئات والانتقال المحتمل بينها أطيافًا جزيئية.
التحولات (الإلكترونية) في الجزيئات تظهر الروابط الكيميائية وهيكل غلاف الإلكترون. الأطياف ذات الوصلات الأكثر لها نطاقات امتصاص طويلة الموجة تقع في المنطقة المرئية. إذا تم بناء مادة ما من هذه الجزيئات ، فإن لها لونًا مميزًا. هذه كلها أصباغ عضوية.
خصائص جزيئات نفس المادة هي نفسها في جميع حالات التجمع. هذا يعني أنه في نفس المواد ، لا تختلف خصائص جزيئات المواد السائلة والغازية عن خصائص المادة الصلبة. دائمًا ما يكون لجزيء مادة واحدة نفس البنية ، بغض النظر عنالحالة الكلية للمادة نفسها.
بيانات كهربائية
الطريقة التي تتصرف بها المادة في المجال الكهربائي تحددها الخصائص الكهربائية للجزيئات: الاستقطاب والعزم ثنائي القطب الدائم.
العزم ثنائي القطب هو عدم التناسق الكهربائي للجزيء. الجزيئات التي لها مركز تناظر مثل H2ليس لديها عزم ثنائي القطب دائم. قدرة غلاف الإلكترون للجزيء على التحرك تحت تأثير المجال الكهربائي ، ونتيجة لذلك تتشكل فيه العزم ثنائي القطب المستحث ، هي قابلية الاستقطاب. للعثور على قيمة الاستقطاب والعزم ثنائي القطب ، من الضروري قياس السماحية.
يتميز سلوك الموجة الضوئية في المجال الكهربائي المتناوب بالخصائص البصرية للمادة ، والتي يتم تحديدها من خلال قابلية الاستقطاب لجزيء من هذه المادة. ترتبط مباشرة بقابلية الاستقطاب: التشتت والانكسار والنشاط البصري وظواهر أخرى للبصريات الجزيئية.
يمكن للمرء أن يسمع في كثير من الأحيان السؤال: "على أي شيء ، بالإضافة إلى الجزيئات ، تعتمد خصائص المادة؟" الجواب بسيط جدا
يتم تحديد خصائص المواد ، باستثناء القياس والتركيب البلوري ، من خلال درجة حرارة البيئة ، والمادة نفسها ، والضغط ، ووجود الشوائب.
كيمياء الجزيئات
قبل تشكيل علم ميكانيكا الكم ، كانت طبيعة الروابط الكيميائية في الجزيئات لغزا لم يتم حله. الفيزياء الكلاسيكية تشرح الاتجاه ولا يمكن تشبع سندات التكافؤ. بعد إنشاء المعلومات النظرية الأساسية حول الرابطة الكيميائية (1927) باستخدام مثال أبسط جزيء H2 ، بدأت النظرية وطرق الحساب في التحسن تدريجياً. على سبيل المثال ، بناءً على الاستخدام الواسع النطاق لطريقة المدارات الجزيئية ، وكيمياء الكم ، أصبح من الممكن حساب المسافات بين الذرية ، وطاقة الجزيئات والروابط الكيميائية ، وتوزيع كثافة الإلكترون وغيرها من البيانات التي تتوافق تمامًا مع البيانات التجريبية.
المواد التي لها نفس التركيب ، ولكن لها بنية كيميائية مختلفة وخصائص مختلفة ، تسمى أيزومرات بنيوية. لديهم صيغ هيكلية مختلفة ، ولكن نفس الصيغ الجزيئية.
تُعرف أنواع مختلفة من التماثل البنيوي. تكمن الاختلافات في بنية الهيكل الكربوني ، أو موضع المجموعة الوظيفية ، أو موضع الرابطة المتعددة. بالإضافة إلى ذلك ، لا تزال هناك أيزومرات مكانية تتميز فيها خصائص جزيء المادة بنفس التركيب والتركيب الكيميائي. لذلك ، فإن كل من الصيغ الهيكلية والجزيئية هي نفسها. تكمن الاختلافات في الشكل المكاني للجزيء. تستخدم الصيغ الخاصة لتمثيل الايزومرات المكانية المختلفة.
هناك مركبات تسمى متجانسات. إنها متشابهة في التركيب والخصائص ، ولكنها تختلف في التركيب من خلال مجموعة واحدة أو أكثر من مجموعات CH2. يتم دمج جميع المواد المتشابهة في التركيب والخصائص في سلسلة متجانسة. بعد دراسة خصائص أحد المتجانسات ، يمكن للمرء أن يفكر في أي منها آخر. مجموعة المتماثلات هي سلسلة متجانسة.
عند تحويل هياكل المادةتتغير الخصائص الكيميائية للجزيئات بشكل كبير. حتى أبسط المركبات تعمل كمثال: عندما يقترن الميثان بذرة أكسجين واحدة ، يصبح سائلًا سامًا يسمى الميثانول (كحول الميثيل - CH3OH). تبعا لذلك ، فإن تكاملها الكيميائي وتأثيرها على الكائنات الحية يصبحان مختلفين. تحدث تغييرات مماثلة ولكنها أكثر تعقيدًا عند تعديل هياكل الجزيئات الحيوية.
الخصائص الجزيئية الكيميائية تعتمد بشدة على بنية وخصائص الجزيئات: على روابط الطاقة فيها وهندسة الجزيء نفسه. هذا صحيح بشكل خاص في المركبات النشطة بيولوجيا. غالبًا ما يتم تحديد التفاعل المتنافس الذي سيكون سائدًا فقط من خلال العوامل المكانية ، والتي تعتمد بدورها على الجزيئات الأولية (تكوينها). لن يتفاعل جزيء واحد بتكوين "غير مريح" على الإطلاق ، بينما جزيء آخر له نفس التركيب الكيميائي ولكن لهندسة مختلفة قد يتفاعل على الفور.
يرتبط عدد كبير من العمليات البيولوجية التي لوحظت أثناء النمو والتكاثر بالعلاقات الهندسية بين نواتج التفاعل ومواد البداية. لمعلوماتك: يعتمد عمل عدد كبير من الأدوية الجديدة على بنية جزيئية مماثلة لمركب ضار من وجهة نظر بيولوجية لجسم الإنسان. يحل الدواء محل الجزيء الضار ويجعل من الصعب التصرف.
بمساعدة الصيغ الكيميائية ، يتم التعبير عن تكوين وخصائص جزيئات المواد المختلفة. بناءً على الوزن الجزيئي والتحليل الكيميائي ، يتم إنشاء النسبة الذرية وتجميعهاالصيغة التجريبية.
الهندسة
يتم تحديد التركيب الهندسي للجزيء مع مراعاة ترتيب توازن النوى الذرية. تعتمد طاقة تفاعل الذرات على المسافة بين نوى الذرات. على مسافات كبيرة جدًا ، هذه الطاقة تساوي صفرًا. عندما تقترب الذرات من بعضها البعض ، تبدأ الرابطة الكيميائية في التكون. ثم تنجذب الذرات لبعضها البعض بقوة
إذا كان هناك جاذبية ضعيفة ، فإن تكوين رابطة كيميائية ليس ضروريًا. إذا بدأت الذرات في الاقتراب من مسافات أقرب ، تبدأ قوى التنافر الكهروستاتيكية في العمل بين النوى. عقبة أمام التقارب القوي للذرات هو عدم توافق غلافها الإلكتروني الداخلي.
المقاسات
من المستحيل رؤية الجزيئات بالعين المجردة. إنها صغيرة جدًا لدرجة أنه حتى المجهر بتكبير 1000x لن يساعدنا في رؤيتها. لاحظ علماء الأحياء البكتيريا بحجم 0.001 مم. لكن الجزيئات أصغر بمئات وآلاف المرات.
اليوم ، يتم تحديد بنية جزيئات مادة معينة من خلال طرق الحيود: حيود النيوترون ، وتحليل حيود الأشعة السينية. هناك أيضًا التحليل الطيفي الاهتزازي وطريقة الإلكترون البارامغناطيسية. يعتمد اختيار الطريقة على نوع المادة وحالتها.
حجم الجزيء هو قيمة مشروطة ، مع مراعاة غلاف الإلكترون. النقطة هي مسافات الإلكترونات من النوى الذرية. كلما كبروا ، قل احتمال العثور على إلكترونات الجزيء. في الممارسة العملية ، يمكن تحديد حجم الجزيئات من خلال مراعاة مسافة التوازن.هذا هو الفاصل الزمني الذي يمكن أن تقترب فيه الجزيئات نفسها من بعضها البعض عندما تكون معبأة بكثافة في بلورة جزيئية وفي سائل.
للمسافات الكبيرة جزيئات تجذبها ، أما المسافات الصغيرة فهي على العكس من التنافر. لذلك ، يساعد تحليل حيود الأشعة السينية للبلورات الجزيئية في إيجاد أبعاد الجزيء. باستخدام معامل الانتشار والتوصيل الحراري ولزوجة الغازات ، وكذلك كثافة مادة في حالة مكثفة ، يمكن للمرء تحديد ترتيب حجم الأحجام الجزيئية.
