Tất cả các cơ thể bao quanh chúng ta đều được tạo thành từ các nguyên tử. Đến lượt mình, các nguyên tử tập hợp thành một phân tử. Đó là do sự khác biệt trong cấu trúc phân tử mà người ta có thể nói về các chất khác biệt với nhau, dựa trên các tính chất và thông số của chúng. Phân tử, nguyên tử luôn ở trạng thái động. Di chuyển, chúng vẫn không phân tán theo các hướng khác nhau, mà được tổ chức theo một cấu trúc nhất định, mà chúng ta có được nhờ sự tồn tại của một lượng lớn các chất như vậy trong toàn thế giới xung quanh chúng ta. Những hạt này là gì và đặc tính của chúng là gì?
Khái niệm chung
Nếu chúng ta bắt đầu từ lý thuyết cơ học lượng tử, thì phân tử không bao gồm các nguyên tử, mà là các hạt nhân và electron của chúng, liên tục tương tác với nhau.
Đối với một số chất, phân tử là hạt nhỏ nhất có thành phần và tính chất hóa học của chính chất đó. Vì vậy, các thuộc tính của phân tử theo quan điểm của hóa học được xác định bởi cấu trúc hóa học của nó vàthành phần. Nhưng chỉ đối với những chất có cấu tạo phân tử, thì quy luật mới hoạt động: tính chất hóa học của chất và phân tử là giống nhau. Đối với một số polyme, chẳng hạn như ethylene và polyethylene, thành phần không phù hợp với thành phần phân tử.
Người ta biết rằng tính chất của các phân tử không chỉ được xác định bởi số lượng nguyên tử, loại của chúng, mà còn bởi cấu hình, thứ tự liên kết. Phân tử là một cấu trúc kiến trúc phức tạp, nơi mỗi phần tử đứng ở vị trí của nó và có những người hàng xóm cụ thể của nó. Cấu trúc nguyên tử có thể cứng hơn hoặc ít hơn. Mỗi nguyên tử dao động về vị trí cân bằng của nó.
Cấu hình và thông số
Điều xảy ra là một số phần của phân tử quay so với các phần khác. Vì vậy, trong quá trình chuyển động nhiệt, một phân tử tự do có những hình dạng (cấu hình) kỳ lạ.
Về cơ bản, các đặc tính của phân tử được xác định bởi liên kết (kiểu của nó) giữa các nguyên tử và kiến trúc của chính phân tử đó (cấu trúc, hình dạng). Vì vậy, trước hết, lý thuyết hóa học tổng quát xem xét các liên kết hóa học và dựa trên các tính chất của nguyên tử.
Với tính phân cực mạnh, đặc tính của các phân tử rất khó mô tả với tương quan hai hoặc ba hằng số, điều này rất tốt cho các phân tử không phân cực. Do đó, một tham số bổ sung có mômen lưỡng cực đã được giới thiệu. Nhưng phương pháp này không phải lúc nào cũng thành công, vì các phân tử phân cực có những đặc điểm riêng biệt. Các thông số cũng đã được đề xuất để giải thích cho các hiệu ứng lượng tử, rất quan trọng ở nhiệt độ thấp.
Chúng ta biết gì về phân tử của chất phổ biến nhất trên Trái đất?
Trong tất cả các chất trên hành tinh của chúng ta, chất phổ biến nhất là nước. Theo nghĩa đen, nó cung cấp sự sống cho mọi thứ tồn tại trên Trái đất. Chỉ có virus mới có thể làm được nếu không có nó, phần lớn các cấu trúc sống còn lại trong thành phần của chúng đều có nước. Những tính chất nào của phân tử nước, chỉ đặc trưng của nó, được sử dụng trong đời sống kinh tế của con người và động vật hoang dã trên Trái đất?
Sau cùng, đây là một chất thực sự độc đáo! Không có chất nào khác có thể tự hào về một tập hợp các đặc tính vốn có trong nước.
Nước là dung môi chính trong tự nhiên. Tất cả các phản ứng xảy ra trong cơ thể sống, bằng cách này hay cách khác, đều xảy ra trong môi trường nước. Tức là, các chất tham gia phản ứng khi ở trạng thái hòa tan.
Nước có khả năng tỏa nhiệt rất tốt, nhưng độ dẫn nhiệt thấp. Nhờ những đặc tính này, chúng ta có thể sử dụng nó như một phương tiện vận chuyển nhiệt. Nguyên tắc này được bao gồm trong cơ chế làm mát của một số lượng lớn các sinh vật. Trong công nghiệp điện hạt nhân, các đặc tính của phân tử nước đã dẫn đến việc sử dụng chất này làm chất làm mát. Ngoài khả năng là môi trường phản ứng với các chất khác, bản thân nước có thể tham gia vào các phản ứng: quang phân, hydrat hóa và các phản ứng khác.
Nước tinh khiết tự nhiên là một chất lỏng không mùi, không màu và không vị. Nhưng ở độ dày lớp lớn hơn 2 mét, màu trở nên hơi xanh.
Toàn bộ phân tử nước là một lưỡng cực (hai cực trái dấu). Nó là cấu trúc lưỡng cực trongchủ yếu xác định tính chất bất thường của chất này. Phân tử nước là một diamagnet.
Nước kim loại có một tính chất thú vị khác: phân tử của nó có cấu trúc theo tỷ lệ vàng, và cấu trúc của chất có cấu trúc theo tỷ lệ vàng. Nhiều đặc tính của phân tử nước đã được thiết lập bằng cách phân tích sự hấp thụ và phát xạ của quang phổ sọc trong pha khí.
Tính chất khoa học và phân tử
Tất cả các chất, trừ các chất hóa học, đều có các đặc tính vật lý của các phân tử tạo nên cấu trúc của chúng.
Trong khoa học vật lý, khái niệm phân tử được dùng để giải thích các tính chất của chất rắn, chất lỏng và chất khí. Khả năng khuếch tán của tất cả các chất, độ nhớt, độ dẫn nhiệt và các tính chất khác của chúng được xác định bởi tính linh động của các phân tử. Khi nhà vật lý người Pháp Jean Perrin đang nghiên cứu chuyển động Brown, ông đã chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của các phân tử. Tất cả các sinh vật sống đều tồn tại do sự tương tác bên trong cân bằng trong cấu trúc. Tất cả các tính chất hóa học và vật lý của các chất đều có tầm quan trọng cơ bản đối với khoa học tự nhiên. Sự phát triển của vật lý, hóa học, sinh học và vật lý phân tử đã cho ra đời một ngành khoa học như sinh học phân tử, chuyên nghiên cứu các hiện tượng cơ bản trong cuộc sống.
Sử dụng nhiệt động lực học thống kê, các tính chất vật lý của phân tử, được xác định bằng quang phổ phân tử, trong hóa lý xác định các đặc tính nhiệt động lực học của các chất cần thiết để tính toán cân bằng hóa học và tốc độ thành lập của nó.
Sự khác biệt giữa các tính chất của nguyên tử và phân tử là gì?
Trước hết, nguyên tử không xảy ra ở trạng thái tự do.
Phân tử có quang phổ phong phú hơn. Điều này là do tính đối xứng của hệ thấp hơn và sự xuất hiện của khả năng quay và dao động mới của các hạt nhân. Đối với một phân tử, tổng năng lượng bao gồm ba năng lượng khác nhau về độ lớn của các thành phần:
- vỏ điện tử (bức xạ quang học hoặc tia cực tím);
- dao động của hạt nhân (phần hồng ngoại của quang phổ);
- quay của phân tử nói chung (dải tần số vô tuyến).
Nguyên tử phát ra quang phổ vạch đặc trưng, trong khi phân tử phát ra quang phổ vạch gồm nhiều vạch gần nhau.
Phân tích quang phổ
Tính chất quang học, điện, từ và các đặc tính khác của phân tử cũng được xác định bởi mối liên hệ với các hàm sóng. Dữ liệu về trạng thái của các phân tử và khả năng chuyển đổi giữa chúng cho thấy phổ phân tử.
Sự chuyển tiếp (điện tử) trong phân tử thể hiện các liên kết hóa học và cấu trúc của lớp vỏ electron của chúng. Quang phổ có nhiều kết nối hơn có dải hấp thụ bước sóng dài rơi vào vùng khả kiến. Nếu một chất được xây dựng từ các phân tử như vậy, nó có màu đặc trưng. Đây đều là thuốc nhuộm hữu cơ.
Tính chất của các phân tử của cùng một chất giống nhau ở mọi trạng thái tập hợp. Điều này có nghĩa là trong các chất giống nhau, tính chất của phân tử chất lỏng, chất khí không khác tính chất của chất rắn. Phân tử của một chất luôn có cấu trúc giống nhau, không phụ thuộc vàotrạng thái tổng hợp của chính vật chất.
Dữ liệu điện
Cách một chất hoạt động trong điện trường được xác định bởi các đặc tính điện của các phân tử: tính phân cực và mômen lưỡng cực vĩnh viễn.
Mômen lưỡng cực là sự không đối xứng về điện của phân tử. Các phân tử có tâm đối xứng như H2không có momen lưỡng cực vĩnh viễn. Khả năng của lớp vỏ electron của phân tử chuyển động dưới tác dụng của điện trường, do đó một mômen lưỡng cực cảm ứng được hình thành trong nó, là tính phân cực. Để tìm giá trị của độ phân cực và mômen lưỡng cực, cần phải đo điện trở phép.
Ứng xử của sóng ánh sáng trong điện trường xoay chiều được đặc trưng bởi các tính chất quang học của một chất, được xác định bởi tính phân cực của phân tử chất này. Liên quan trực tiếp đến tính phân cực là: tán xạ, khúc xạ, hoạt động quang học và các hiện tượng khác của quang học phân tử.
Người ta thường có thể nghe thấy câu hỏi: "Ngoài phân tử, các đặc tính của một chất còn phụ thuộc vào điều gì?" Câu trả lời khá đơn giản.
Tính chất của các chất, ngoại trừ tính đẳng áp và cấu trúc tinh thể, được xác định bởi nhiệt độ của môi trường, bản thân chất đó, áp suất, sự có mặt của tạp chất.
Hóa học của các phân tử
Trước khi khoa học cơ học lượng tử hình thành, bản chất của các liên kết hóa học trong phân tử là một bí ẩn chưa được giải đáp. Vật lý cổ điển giải thích hướng vàsự bão hòa của các liên kết hóa trị không thể. Sau khi tạo ra thông tin lý thuyết cơ bản về liên kết hóa học (1927) bằng cách sử dụng ví dụ về phân tử H2 đơn giản nhất, lý thuyết và phương pháp tính toán bắt đầu được hoàn thiện dần. Ví dụ, dựa trên việc sử dụng rộng rãi phương pháp obitan phân tử, hóa học lượng tử, người ta có thể tính toán khoảng cách giữa các nguyên tử, năng lượng của các phân tử và liên kết hóa học, sự phân bố mật độ electron và các dữ liệu khác hoàn toàn trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm.
Những chất có cùng thành phần, nhưng cấu tạo hoá học khác nhau và tính chất khác nhau được gọi là đồng phân cấu tạo. Chúng có công thức cấu tạo khác nhau nhưng cùng công thức phân tử.
Các loại đồng phân cấu trúc khác nhau đã được biết đến. Sự khác biệt nằm ở cấu trúc của khung carbon, vị trí của nhóm chức hoặc vị trí của liên kết đa. Ngoài ra, vẫn có những đồng phân không gian mà tính chất của phân tử chất có đặc điểm giống nhau về thành phần và cấu tạo hóa học. Do đó, cả công thức cấu tạo và phân tử đều giống nhau. Sự khác biệt nằm ở hình dạng không gian của phân tử. Các công thức đặc biệt được sử dụng để biểu thị các đồng phân khác nhau trong không gian.
Có những hợp chất được gọi là chất đồng đẳng. Chúng giống nhau về cấu trúc và tính chất, nhưng khác nhau về thành phần bởi một hoặc nhiều nhóm CH2. Tất cả các chất giống nhau về cấu trúc và tính chất được kết hợp thành một dãy đồng đẳng. Sau khi nghiên cứu các thuộc tính của một chất tương đồng, người ta có thể suy luận về bất kỳ chất nào khác trong số chúng. Tập hợp các tương đồng là một loạt tương đồng.
Khi biến đổi cấu trúc của vật chấttính chất hóa học của các phân tử thay đổi đột ngột. Ngay cả những hợp chất đơn giản nhất cũng được dùng làm ví dụ: metan, khi kết hợp với dù chỉ một nguyên tử oxy, sẽ trở thành một chất lỏng độc được gọi là metanol (rượu metylic - CH3OH). Theo đó, tính bổ sung hóa học và tác dụng của nó đối với các cơ thể sống trở nên khác nhau. Những thay đổi tương tự nhưng phức tạp hơn xảy ra khi sửa đổi cấu trúc của các phân tử sinh học.
Tính chất hóa học của phân tử phụ thuộc mạnh mẽ vào cấu trúc và tính chất của phân tử: vào các liên kết năng lượng trong nó và dạng hình học của chính phân tử đó. Điều này đặc biệt đúng trong các hợp chất có hoạt tính sinh học. Phản ứng cạnh tranh nào sẽ chiếm ưu thế thường chỉ được xác định bởi các yếu tố không gian, do đó phụ thuộc vào các phân tử ban đầu (cấu hình của chúng). Một phân tử có cấu hình "khó chịu" sẽ hoàn toàn không phản ứng, trong khi một phân tử khác có cùng thành phần hóa học nhưng có dạng hình học khác có thể phản ứng ngay lập tức.
Một số lượng lớn các quá trình sinh học được quan sát trong quá trình sinh trưởng và sinh sản có liên quan đến các mối quan hệ hình học giữa các sản phẩm phản ứng và nguyên liệu ban đầu. Đối với thông tin của bạn: hoạt động của một số lượng đáng kể các loại thuốc mới dựa trên cấu trúc phân tử tương tự của một hợp chất có hại theo quan điểm sinh học đối với cơ thể con người. Thuốc thay thế phân tử có hại và làm cho nó khó hoạt động.
Với sự trợ giúp của công thức hóa học, thành phần và tính chất của các phân tử của các chất khác nhau được thể hiện. Dựa vào khối lượng phân tử, phân tích hóa học, tỉ lệ số nguyên tử được thiết lập và biên soạncông thức thực nghiệm.
Hình học
Việc xác định cấu trúc hình học của phân tử được thực hiện có tính đến sự sắp xếp cân bằng của các hạt nhân nguyên tử. Năng lượng tương tác của các nguyên tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa các hạt nhân của các nguyên tử. Ở khoảng cách rất lớn, năng lượng này bằng không. Khi các nguyên tử đến gần nhau, một liên kết hóa học bắt đầu hình thành. Khi đó các nguyên tử bị hút mạnh vào nhau.
Nếu có lực hút yếu thì việc hình thành liên kết hóa học là không cần thiết. Nếu các nguyên tử bắt đầu tiếp cận ở khoảng cách gần hơn, lực đẩy tĩnh điện bắt đầu tác động giữa các hạt nhân. Một trở ngại cho sự hội tụ mạnh mẽ của các nguyên tử là sự không tương thích của lớp vỏ electron bên trong của chúng.
Kích thước
Không thể nhìn thấy các phân tử bằng mắt thường. Chúng quá nhỏ đến mức ngay cả một kính hiển vi có độ phóng đại 1000x cũng không thể giúp chúng ta nhìn thấy chúng. Các nhà sinh vật học quan sát thấy vi khuẩn nhỏ tới 0,001 mm. Nhưng các phân tử nhỏ hơn hàng trăm, hàng nghìn lần.
Ngày nay, cấu trúc của các phân tử của một chất nào đó được xác định bằng các phương pháp nhiễu xạ: nhiễu xạ nơtron, phân tích nhiễu xạ tia X. Ngoài ra còn có phương pháp quang phổ dao động và phương pháp thuận từ điện tử. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào loại chất và tình trạng của nó.
Kích thước của phân tử là một giá trị có điều kiện, có tính đến lớp vỏ electron. Điểm là khoảng cách của các electron từ hạt nhân nguyên tử. Chúng càng lớn thì khả năng tìm thấy các electron của phân tử càng ít. Trong thực tế, kích thước của các phân tử có thể được xác định bằng cách tính đến khoảng cách cân bằng. Đây là khoảng thời gian mà bản thân các phân tử có thể tiếp cận nhau khi được đóng gói dày đặc trong một tinh thể phân tử và trong chất lỏng.
Khoảng cách lớn có các phân tử để thu hút, và những khoảng cách nhỏ thì ngược lại, có lực đẩy. Do đó, phân tích nhiễu xạ tia X của tinh thể phân tử giúp tìm ra kích thước của phân tử. Sử dụng hệ số khuếch tán, độ dẫn nhiệt và độ nhớt của chất khí, cũng như mật độ của một chất ở trạng thái ngưng tụ, người ta có thể xác định thứ tự độ lớn của kích thước phân tử.
