ร่างกายทั้งหมดที่ล้อมรอบเราประกอบด้วยอะตอม อะตอมก็รวมตัวกันเป็นโมเลกุล เป็นเพราะความแตกต่างในโครงสร้างโมเลกุลที่สามารถพูดคุยเกี่ยวกับสารที่แตกต่างกันตามคุณสมบัติและพารามิเตอร์ของสารเหล่านั้น โมเลกุลและอะตอมมักอยู่ในสภาพไดนามิก พวกมันยังคงไม่กระจัดกระจายไปในทิศทางที่ต่างกัน แต่ถูกเก็บไว้ในโครงสร้างที่แน่นอนซึ่งเราเป็นหนี้ต่อการดำรงอยู่ของสารที่หลากหลายเช่นนี้ในโลกทั้งใบรอบตัวเรา อนุภาคเหล่านี้คืออะไรและมีคุณสมบัติอย่างไร
แนวคิดทั่วไป
ถ้าเราเริ่มต้นจากทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม โมเลกุลไม่ได้ประกอบด้วยอะตอม แต่ประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนของพวกมันซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างต่อเนื่อง
สำหรับสารบางชนิด โมเลกุลคืออนุภาคที่เล็กที่สุดที่มีองค์ประกอบและคุณสมบัติทางเคมีของสารนั่นเอง ดังนั้นคุณสมบัติของโมเลกุลจากมุมมองของเคมีจึงถูกกำหนดโดยโครงสร้างทางเคมีและองค์ประกอบ. แต่สำหรับสารที่มีโครงสร้างโมเลกุลเท่านั้น กฎนี้ใช้ได้ผล: คุณสมบัติทางเคมีของสารและโมเลกุลเหมือนกัน สำหรับโพลีเมอร์บางชนิด เช่น เอทิลีนและโพลิเอทิลีน องค์ประกอบไม่ตรงกับองค์ประกอบโมเลกุล
เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าคุณสมบัติของโมเลกุลนั้นไม่ได้ถูกกำหนดโดยจำนวนอะตอม ประเภทของพวกมันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการกำหนดค่า ลำดับการเชื่อมต่อด้วย โมเลกุลเป็นโครงสร้างทางสถาปัตยกรรมที่ซับซ้อน โดยที่แต่ละองค์ประกอบจะเข้ามาแทนที่และมีเพื่อนบ้านที่เฉพาะเจาะจง โครงสร้างอะตอมอาจมีความแข็งมากหรือน้อยก็ได้ อะตอมแต่ละอะตอมสั่นสะเทือนตามตำแหน่งสมดุล
การกำหนดค่าและพารามิเตอร์
มันเกิดขึ้นที่บางส่วนของโมเลกุลหมุนสัมพันธ์กับส่วนอื่นๆ ดังนั้น ในกระบวนการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน โมเลกุลอิสระจะมีรูปทรงแปลกประหลาด (การกำหนดค่า)
โดยพื้นฐานแล้ว คุณสมบัติของโมเลกุลถูกกำหนดโดยพันธะ (ชนิดของมัน) ระหว่างอะตอมและสถาปัตยกรรมของโมเลกุลเอง (โครงสร้าง รูปร่าง) ดังนั้น อย่างแรกเลย ทฤษฎีเคมีทั่วไปพิจารณาพันธะเคมีและขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของอะตอม
ด้วยขั้วที่แรง คุณสมบัติของโมเลกุลจึงอธิบายได้ยากด้วยค่าสหสัมพันธ์สองหรือสามค่าคงที่ ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ดังนั้นจึงมีการแนะนำพารามิเตอร์เพิ่มเติมพร้อมโมเมนต์ไดโพล แต่วิธีนี้ไม่ประสบความสำเร็จเสมอไป เนื่องจากโมเลกุลมีขั้วมีลักษณะเฉพาะ มีการเสนอพารามิเตอร์เพื่อพิจารณาผลกระทบของควอนตัมซึ่งมีความสำคัญที่อุณหภูมิต่ำ
เรารู้อะไรเกี่ยวกับโมเลกุลของสารที่พบบ่อยที่สุดในโลก?
ในบรรดาสสารทั้งหมดบนโลกนี้ สารที่พบบ่อยที่สุดคือน้ำ ให้ชีวิตแก่ทุกสิ่งที่มีอยู่บนโลกในความหมายตามตัวอักษร มีเพียงไวรัสเท่านั้นที่สามารถทำได้โดยปราศจากมัน โครงสร้างสิ่งมีชีวิตที่เหลือในองค์ประกอบส่วนใหญ่มีน้ำ คุณสมบัติใดของโมเลกุลน้ำซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของมันที่ใช้ในชีวิตทางเศรษฐกิจของมนุษย์และสัตว์ป่าของโลก
ท้ายที่สุดนี่คือสารที่ไม่เหมือนใครอย่างแท้จริง! ไม่มีสารอื่นใดที่สามารถอวดคุณสมบัติที่มีอยู่ในน้ำได้
น้ำเป็นตัวทำละลายหลักในธรรมชาติ ปฏิกิริยาทั้งหมดที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตไม่ทางใดก็ทางหนึ่งเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทางน้ำ กล่าวคือ สารจะทำปฏิกิริยาในขณะที่อยู่ในสถานะละลาย
น้ำมีความจุความร้อนที่ดีเยี่ยม แต่มีค่าการนำความร้อนต่ำ ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ เราจึงสามารถใช้เป็นเครื่องถ่ายเทความร้อนได้ หลักการนี้รวมอยู่ในกลไกการทำความเย็นของสิ่งมีชีวิตจำนวนมาก ในอุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ คุณสมบัติของโมเลกุลของน้ำทำให้เกิดการใช้สารนี้เป็นสารหล่อเย็น นอกจากความเป็นไปได้ที่จะเป็นตัวกลางในการเกิดปฏิกิริยาสำหรับสารอื่นๆ แล้ว น้ำเองก็สามารถทำปฏิกิริยาได้ เช่น โฟโตไลซิส การให้น้ำ และอื่นๆ
น้ำบริสุทธิ์จากธรรมชาติเป็นของเหลวที่ไม่มีกลิ่น ไม่มีสี และรสจืด แต่ที่ความหนาของชั้นมากกว่า 2 เมตร สีจะกลายเป็นสีน้ำเงิน
โมเลกุลของน้ำทั้งหมดเป็นไดโพล (สองขั้วตรงข้ามกัน) เป็นโครงสร้างไดโพลในส่วนใหญ่จะกำหนดคุณสมบัติที่ผิดปกติของสารนี้ โมเลกุลของน้ำเป็นไดอะแมกเน็ต
น้ำโลหะมีคุณสมบัติที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่ง: โมเลกุลของมันได้มาซึ่งโครงสร้างของอัตราส่วนทองคำ และโครงสร้างของสารจะได้สัดส่วนของส่วนสีทอง คุณสมบัติหลายประการของโมเลกุลน้ำถูกกำหนดขึ้นโดยการวิเคราะห์การดูดกลืนและการปล่อยคลื่นสเปกตรัมในระยะก๊าซ
วิทยาศาสตร์และคุณสมบัติของโมเลกุล
สารทั้งหมด ยกเว้นสารเคมี มีคุณสมบัติทางกายภาพของโมเลกุลที่ประกอบเป็นโครงสร้าง
ในวิทยาศาสตร์กายภาพ แนวคิดของโมเลกุลใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติของของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ความสามารถของสารทั้งหมดในการแพร่กระจาย ความหนืด การนำความร้อน และคุณสมบัติอื่นๆ ถูกกำหนดโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุล เมื่อนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Jean Perrin กำลังศึกษาการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน เขาได้ทดลองพิสูจน์การมีอยู่ของโมเลกุล สิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีอยู่เนื่องจากการปฏิสัมพันธ์ภายในที่สมดุลในโครงสร้าง คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพทั้งหมดของสารมีความสำคัญพื้นฐานสำหรับวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ การพัฒนาฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา และฟิสิกส์ระดับโมเลกุลทำให้เกิดวิทยาศาสตร์เช่นอณูชีววิทยา ซึ่งศึกษาปรากฏการณ์พื้นฐานในชีวิต
การใช้อุณหพลศาสตร์เชิงสถิติ คุณสมบัติทางกายภาพของโมเลกุลซึ่งกำหนดโดยโมเลกุลสเปกโทรสโกปีในเคมีเชิงฟิสิกส์จะกำหนดคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารที่จำเป็นในการคำนวณสมดุลเคมีและอัตราการสร้าง
คุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุลต่างกันอย่างไร
อย่างแรกเลย อะตอมไม่เกิดในสถานะอิสระ
โมเลกุลมีสเปกตรัมแสงที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น นี่เป็นเพราะความสมมาตรที่ต่ำกว่าของระบบและการเกิดขึ้นของความเป็นไปได้ของการหมุนและการแกว่งใหม่ของนิวเคลียส สำหรับโมเลกุล พลังงานทั้งหมดประกอบด้วยพลังงานสามพลังงานที่แตกต่างกันตามลำดับความสำคัญของส่วนประกอบ:
- เปลือกอิเล็กทรอนิกส์ (แสงหรือรังสีอัลตราไวโอเลต);
- การสั่นของนิวเคลียส (อินฟราเรดส่วนหนึ่งของสเปกตรัม);
- การหมุนของโมเลกุลโดยรวม (ช่วงความถี่วิทยุ)
อะตอมปล่อยสเปกตรัมของเส้นลักษณะเฉพาะ ในขณะที่โมเลกุลปล่อยสเปกตรัมที่มีลายทางซึ่งประกอบด้วยเส้นที่เว้นระยะอย่างใกล้ชิดจำนวนมาก
การวิเคราะห์สเปกตรัม
คุณสมบัติทางแสง ไฟฟ้า แม่เหล็ก และอื่นๆ ของโมเลกุลถูกกำหนดโดยการเชื่อมต่อกับฟังก์ชันคลื่น ข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของโมเลกุลและการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ระหว่างกันแสดงสเปกตรัมของโมเลกุล
การเปลี่ยนแปลง (อิเล็กทรอนิกส์) ในโมเลกุลแสดงพันธะเคมีและโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของพวกมัน สเปกตรัมที่มีการเชื่อมต่อมากกว่าจะมีแถบดูดกลืนความยาวคลื่นยาวที่ตกลงสู่บริเวณที่มองเห็นได้ ถ้าสสารถูกสร้างขึ้นจากโมเลกุลดังกล่าว สารจะมีสีเฉพาะตัว ทั้งหมดนี้เป็นสีย้อมอินทรีย์
คุณสมบัติของโมเลกุลของสารชนิดเดียวกันจะเหมือนกันในทุกสถานะของการรวมกลุ่ม ซึ่งหมายความว่าในสารชนิดเดียวกันคุณสมบัติของโมเลกุลของของเหลว สารที่เป็นก๊าซ ไม่แตกต่างจากคุณสมบัติของของแข็ง โมเลกุลของสารหนึ่งมีโครงสร้างเหมือนกันเสมอโดยไม่คำนึงถึงสถานะของสสารเอง
ข้อมูลไฟฟ้า
วิธีที่สารมีพฤติกรรมในสนามไฟฟ้าถูกกำหนดโดยลักษณะทางไฟฟ้าของโมเลกุล: ความสามารถในการโพลาไรซ์และโมเมนต์ไดโพลถาวร
โมเมนต์ไดโพลคือความไม่สมมาตรทางไฟฟ้าของโมเลกุล โมเลกุลที่มีจุดศูนย์กลางสมมาตร เช่น H2 ไม่มีโมเมนต์ไดโพลถาวร ความสามารถของเปลือกอิเล็กตรอนของโมเลกุลในการเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าซึ่งเป็นผลมาจากโมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในนั้นคือความสามารถในการโพลาไรซ์ ในการหาค่าของความสามารถในการโพลาไรซ์และโมเมนต์ไดโพล จำเป็นต้องวัดค่าการยอมให้เกิดขึ้น
พฤติกรรมของคลื่นแสงในสนามไฟฟ้ากระแสสลับนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติทางแสงของสาร ซึ่งถูกกำหนดโดยความสามารถในการโพลาไรซ์ของโมเลกุลของสารนี้ ที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับความสามารถในการโพลาไรซ์ ได้แก่ การกระเจิง การหักเห การทำงานของแสง และปรากฏการณ์อื่นๆ ของเลนส์โมเลกุล
เรามักจะได้ยินคำถามว่า “นอกจากโมเลกุลแล้ว คุณสมบัติของสารขึ้นอยู่กับอะไร” คำตอบนั้นค่อนข้างง่าย
คุณสมบัติของสาร ยกเว้นไอโซเมทรีและโครงสร้างผลึก ถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม ตัวสารเอง ความดัน การมีอยู่ของสิ่งเจือปน
เคมีของโมเลกุล
ก่อนการก่อตัวของวิทยาศาสตร์กลศาสตร์ควอนตัม ธรรมชาติของพันธะเคมีในโมเลกุลนั้นเป็นปริศนาที่ยังไม่แก้ ฟิสิกส์คลาสสิกอธิบายทิศทางและความอิ่มตัวของพันธะเวเลนซ์ไม่สามารถ หลังจากการสร้างข้อมูลทางทฤษฎีพื้นฐานเกี่ยวกับพันธะเคมี (1927) โดยใช้ตัวอย่างของโมเลกุล H2 ที่ง่ายที่สุด ทฤษฎีและวิธีการคำนวณก็ค่อยๆ พัฒนาขึ้น ตัวอย่างเช่น จากการใช้วิธีการออร์บิทัลระดับโมเลกุลอย่างแพร่หลาย เคมีควอนตัม ทำให้สามารถคำนวณระยะทางระหว่างอะตอม พลังงานของโมเลกุลและพันธะเคมี การกระจายของความหนาแน่นของอิเล็กตรอน และข้อมูลอื่นๆ ที่ใกล้เคียงกับข้อมูลการทดลองโดยสิ้นเชิง
สารที่มีองค์ประกอบเหมือนกันแต่โครงสร้างทางเคมีต่างกันและคุณสมบัติต่างกันเรียกว่าโครงสร้างไอโซเมอร์ มีสูตรโครงสร้างต่างกัน แต่มีสูตรโมเลกุลเหมือนกัน
รู้จักโครงสร้างไอโซเมอริซึมประเภทต่างๆ ความแตกต่างอยู่ในโครงสร้างของโครงกระดูกคาร์บอน ตำแหน่งของกลุ่มการทำงาน หรือตำแหน่งของพันธะพหุคูณ นอกจากนี้ยังมีไอโซเมอร์เชิงพื้นที่ซึ่งคุณสมบัติของโมเลกุลของสารมีลักษณะเฉพาะด้วยองค์ประกอบและโครงสร้างทางเคมีที่เหมือนกัน ดังนั้นทั้งสูตรโครงสร้างและโมเลกุลจึงเหมือนกัน ความแตกต่างอยู่ในรูปร่างเชิงพื้นที่ของโมเลกุล ใช้สูตรพิเศษแทนไอโซเมอร์เชิงพื้นที่
มีสารประกอบที่เรียกว่าคล้ายคลึงกัน มีโครงสร้างและคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน แต่องค์ประกอบต่างกันตามกลุ่ม CH2 ตั้งแต่หนึ่งกลุ่มขึ้นไป สารทั้งหมดที่มีลักษณะคล้ายกันในโครงสร้างและคุณสมบัติจะรวมกันเป็นอนุกรมคล้ายคลึงกัน เมื่อศึกษาคุณสมบัติของ homologue หนึ่งแล้วเราสามารถให้เหตุผลเกี่ยวกับคุณสมบัติอื่นได้ ชุดของ homologs เป็นชุดที่คล้ายคลึงกัน
เมื่อเปลี่ยนโครงสร้างของสสารคุณสมบัติทางเคมีของโมเลกุลเปลี่ยนไปอย่างมาก แม้แต่สารประกอบที่ง่ายที่สุดยังใช้เป็นตัวอย่าง: มีเทนเมื่อรวมกับอะตอมออกซิเจนแม้แต่อะตอมเดียว จะกลายเป็นของเหลวมีพิษที่เรียกว่าเมทานอล (เมทิลแอลกอฮอล์ - CH3OH) ดังนั้นความสมบูรณ์ทางเคมีและผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตจึงแตกต่างกัน การเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกันแต่ซับซ้อนกว่าเกิดขึ้นเมื่อแก้ไขโครงสร้างของชีวโมเลกุล
คุณสมบัติโมเลกุลทางเคมีขึ้นอยู่กับโครงสร้างและคุณสมบัติของโมเลกุลอย่างมาก: พันธะของพลังงานในนั้นและรูปทรงของโมเลกุลเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสารประกอบที่ใช้งานทางชีวภาพ ปฏิกิริยาที่แข่งขันกันใดจะมีอิทธิพลเหนือกว่านั้นมักจะถูกกำหนดโดยปัจจัยเชิงพื้นที่เท่านั้น ซึ่งจะขึ้นอยู่กับโมเลกุลเริ่มต้น (การกำหนดค่าของพวกมัน) โมเลกุลหนึ่งที่มีการกำหนดค่า "อึดอัด" จะไม่ทำปฏิกิริยาเลย ในขณะที่โมเลกุลอื่นที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกันแต่รูปทรงที่แตกต่างกันอาจทำปฏิกิริยาทันที
กระบวนการทางชีวภาพจำนวนมากที่สังเกตได้ระหว่างการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์นั้นสัมพันธ์กับความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตระหว่างผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาและวัสดุเริ่มต้น สำหรับข้อมูลของคุณ: การกระทำของยาใหม่จำนวนมากขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลที่คล้ายคลึงกันของสารประกอบที่เป็นอันตรายจากมุมมองทางชีววิทยาสำหรับร่างกายมนุษย์ ยาจะเข้ามาแทนที่โมเลกุลที่เป็นอันตรายและทำให้ยากต่อการกระทำ
ด้วยความช่วยเหลือของสูตรเคมี จะแสดงองค์ประกอบและคุณสมบัติของโมเลกุลของสารต่างๆ ตามน้ำหนักโมเลกุล การวิเคราะห์ทางเคมี อัตราส่วนอะตอมถูกสร้างขึ้นและรวบรวมสูตรเชิงประจักษ์
เรขาคณิต
การกำหนดโครงสร้างทางเรขาคณิตของโมเลกุลคำนึงถึงการจัดเรียงสมดุลของนิวเคลียสของอะตอม พลังงานของปฏิสัมพันธ์ของอะตอมขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอม ที่ระยะทางไกลมาก พลังงานนี้เป็นศูนย์ เมื่ออะตอมเข้าใกล้กัน พันธะเคมีจะเริ่มก่อตัว จากนั้นอะตอมจะถูกดึงดูดเข้าหากันอย่างแรง
หากมีแรงดึงดูดอ่อนๆ ก็ไม่จำเป็นต้องเกิดพันธะเคมี หากอะตอมเริ่มเข้าใกล้ในระยะใกล้ แรงผลักของไฟฟ้าสถิตจะเริ่มกระทำระหว่างนิวเคลียส อุปสรรคต่อการบรรจบกันของอะตอมที่รุนแรงคือความไม่ลงรอยกันของเปลือกอิเล็กตรอนภายใน
ขนาด
มองไม่เห็นโมเลกุลด้วยตาเปล่า พวกมันเล็กมากจนแม้แต่กล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยาย 1,000 เท่าก็ไม่ช่วยให้เราเห็นพวกมัน นักชีววิทยาสังเกตแบคทีเรียที่มีขนาดเล็กเพียง 0.001 มม. แต่โมเลกุลมีขนาดเล็กกว่าหลายแสนเท่า
วันนี้ โครงสร้างของโมเลกุลของสารบางชนิดถูกกำหนดโดยวิธีการเลี้ยวเบน: การเลี้ยวเบนของนิวตรอน การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ นอกจากนี้ยังมีสเปกโทรสโกปีแบบสั่นสะเทือนและวิธีอิเล็กตรอนแบบพาราแมกเนติก การเลือกวิธีการขึ้นอยู่กับชนิดของสารและสภาพของสาร
ขนาดของโมเลกุลเป็นค่าตามเงื่อนไขโดยคำนึงถึงเปลือกอิเล็กตรอน ประเด็นคือระยะทางของอิเล็กตรอนจากนิวเคลียสของอะตอม ยิ่งมีขนาดใหญ่เท่าใดก็ยิ่งมีโอกาสน้อยที่จะพบอิเล็กตรอนของโมเลกุล ในทางปฏิบัติ ขนาดของโมเลกุลสามารถกำหนดได้โดยคำนึงถึงระยะสมดุลนี่คือช่วงเวลาที่โมเลกุลสามารถเข้าหากันได้เมื่อบรรจุอย่างหนาแน่นในผลึกโมเลกุลและในของเหลว
ระยะทางไกลมีโมเลกุลให้ดึงดูด และโมเลกุลเล็กกลับมีแรงผลัก ดังนั้นการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของผลึกด้วยรังสีเอกซ์ของผลึกโมเลกุลจึงช่วยในการหาขนาดของโมเลกุล การใช้ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ การนำความร้อน และความหนืดของก๊าซ ตลอดจนความหนาแน่นของสารในสถานะควบแน่น เราสามารถกำหนดลำดับความสำคัญของขนาดโมเลกุลได้