Молекула

Молекула (лат. moles – масса) — белгілі бір заттың негізгі химиялық қасиеттерін сақтайтын ең кіші бөлшегі. Молекуладағы атомдар өзара белгілі бір тәртіппен байланысып, кеңістікте де белгілі тәртіппен орналасады.

Тарихы

Молекула ұғымы ғылымға 1860 ж. енгізілген. Молекуланы тәжірибе жүзінде 1906 ж. француз ғалымы Жан Перрен броундық қозғалысты зерттеу кезінде дәлелдеген. Молекула құрамында бір (инертті газдар), екі (H₂, O₂, N₂, CO, т.б.), үш (O₃, N₂O), сондай-ақ жүздеген, мыңдаған, тіпті одан да көп атомдар (полимер, ақуыз, т.б.) болады.

Халықаралық Карлсруэ Конгресінде 1860 жылы молекулалар мен атомдар анықтамалары қабылданды. Молекулалардың химиялық қасиеттері бар барлық химиялық заттар, ең аз бөлшектер ретінде анықталды.

Заттың химиялық құрылымының классикалық теориясы

Молекулалары бір атомнан тұратын заттар үшін (мысалы, инертті газдар) молекула ұғымы мен атом ұғымы сәйкес келеді.

Молекула құрамы брутто-формула (Н₂O, CH₄, HNO₃) арқылы көрсетіледі. Органикалық қосылыстардың классикалық құрылыс теориясы молекуланың құрылысын атомдар арасындағы тізбекті және байланыс тәртібін көрсететін құрылымдық формуламен өрнектеуге мүмкіндік берді. Эмпирикалық формулалары бірдей молекулалардың құрылысы әр түрлі және түрлі қасиеттерге ие болуы мүмкін. Молекуланың көптеген қасиеттері оның симметриясына тікелей байланысты болады. Молекула энергиясы ондаған және жүздеген кДж/мольмен есептелетін квантталған құраушылардан – электрон қозғалысының энергиясынан, атом ядроларының тербелмелі қозғалысының, сондай-ақ бүтіндей молекуланың кеңістікте ілгерілемелі және айналмалы қозғалысының энергияларынан құралады. Қандай да бір электрондық күйдегі молекуланың орнықтылығы ядролардың тербелмелі қозғалысының потенциалдық энергиясы минимумының болуына байланысты анықталады.

Заттың құрылымының квантты-химиялық теориясы

Молекула — электрбейтарап жүйе. Егер молекулада оң және теріс зарядтардың «ауырлық центрі» сәйкес келмесе, онда молекула полюсті және олардың меншікті электрлік дипольдік моменті болады. Молекула сыртқы электр өрісінде дипольдік моментке ие болу қасиетімен сипатталады. Молекулалардың басым көпшілігі диамагнитті, яғни тұрақты магниттік моменті болмайды; олардың магниттік алғырлығы теріс. Парамагнитті молекула тұрақты магниттік моментінің болуымен сипатталады. Парамагниттік қасиет молекуланың құрамында жұпталмаған электрондардың болуымен байланысты; олардың магниттік алғырлығы оң болады. Молекула туралы көптеген ақпарат оптикалық, мессбауэрлік, фотоэлектрондық, ядролық магниттік резонанс, ядролық квадрупольдік резонанс спектроскопиялары, сонымен қатар кванттық химия және химиялық әдістер көмегімен алынады.

Молекулалық масса

Молекулалық масса, салыстырмалы молекулалық масса – заттың бір молекуласының массасы. Молекулалық масса молекуланы құрайтын барлық атомдар массаларының қосындысына тең. Олар өте кішкене болғандықтан, тәжірибеде олардың орнына салыстырмалы атомдық масса және салыстырмалы молекулалық масса ұғымдары қолданылады. Салыстырмалы молекулалық масса (Мr) заттың бір молекуласы массасының көміртектің 12С изотопы массасының 1/12 бөлігіне қатынасына тең. Көміртектің 12С изотопы массасының 1/12 бөлігі массаның атомдық бірлігі ретінде қабылданған: молекуланың атомдық бірлігі (м.а.б.) =1,6607.10–24 г. Егер зат молекуласының құрамы белгісіз болса, онда белгісіз заттың молекулалық массасын эбуллиоскопия, криоскопия, осмометрия, масс-спектроскопия, т.б. әдістер арқылы анықтауға болады. Молекулалық масса химиялық, физикалық және химия-техникалық есептеулерде қолданылады.

Молекулалық спектр

Спектр — берілген физикалық шаманың қабылданатын әр түрлі мәндерінің жиынтығы. Спектрлі әдісте зерттелетін атомдар мен молекулалардың электро-магнигті толқындарды таңдап, талғап өзіне сіңіру, тарату қабілеті пайдаланылады. Бұл әдістер молекулаларда қатарынан жүретін бірнеше құбылыстарды білуге мүмкіндік береді, атап айтканда, электрондардың бір энергетикалық денгейден басқа деңгейге ауысуы, бүтіндей молекуладағы не оның құрамына енетін атом мен элементар бөлшектерде болатын тербелмелі не айналмалы қозғалыс энергиясының өзгеруі, т. б.

Оқшауланған атомдар мен молекулалардың қозғалысындағы ерекшеліктері олардың спектр құрылымынан көрінеді. Атомдарға сызық-сызық болып көрінетін спектрлер тән. Олардын әрбір сызығы жеке-жеке, анық және әрқайсысы белгілі бір жиіліктегі жағдайды білдіреді. Демек, атомдардағы шығару спектрлері. электрондардын қоздырылған энергетикалық деңгсйден ңегізгіге ауысқан кезінде пайда болады. Ондағы тербелістің жиілігі квантталу шартымен анықталады: ү= (Е, — Е0) : һ; (\v — тербеліс жиілігі; Е{ — қоздырылған деңгейдегі электрон энергиясы; Е0 —негізгі деңгейдегі электрон энергиясы; һ — Планк тұрактысы).

Атомдық спектрмен салыстырғанда, толық молекулалық спектрлер әлдеқайда күрделі. Олар бір-біріне өте жақын, жиі тшті кейде бірігіп, бүтін бір жолақ болып көрінетін көптеген сызықтан тұрады. Мұндай спектрлер молекуладағы өте күрделі және көптеген құбылыстар мен өзгерістерді көрсетеді, мысалы, ядроның тербелуі және оның тепе-теңдік жағдайдан ауытқуы, электрондардың ауысуы, кванттық өзгерістер, т. б.

Молекулалық спектрлер көбіне сіңіру спектрі болады, ал олардан шығару спектрін алу қиын, өйткені молекула электромагниттік тербеліс шығару үшін, оны қоздыру керек. Әрине, күрделі молекула электрлік әсер не қыздыру кезінде қозудын орнына оңай ыдырап, жекеленген атомдарға жіктеледі және осы кезде пайда болатын шығару спектрі өте әлсіз де, оның есесіне сіңіру спектрі айқын, басым болады.

Молекула құрылысын спектрлік әдіспен зерттегенде, әр түрлі облыста сәйкес орналасқан толқын ұзындығымен жұмыс жүргізуге тура келеді. Әдетте, мынадай спектрлі облыстар белгілі: а) шамамен толқын ұзындығы 10~5— 10~4 см аралықтағы көзге көрінетін облыстағы және ультракүлгін (УҚ); б) толқын ұзьшдығы 10~4 — —10~3 см немесе 1—50 мк аралығындағы, көзге көрінбейтін инфра-қызыл (ИҚ) сәулелер; в) ИҚ сәуледен алыс 10~3— 10^2см немесе 50—250 мк аралығында орналасқан толқындар. Мұның әрі радио-спектроскопия әдісімен зерттелетін микротолқынды облыстар ор-наласады.

Молекуладағы атомдардың тербелуі

Молекулалардағы тербелмелі қозғалыстардың түрі сан алуан. Олардың арасындағы бірден бір қарапайым түрі — екі атом ядросын қосатын түзу сызық бойына орналасқандардың бір-біріне тәуелсіздік жағдайда тербелуі. Мұны серіппе арқылы байланыскан екі шардың механикалық тербелісімен ойша салыстыруға болады. Егер екі шарды бір-біріне тартатын күш серіппе болса, молекулаларда мұндай серіппенің міндетін электрондардың өзара әсерінен пайда болатын валенттілік байланыс атқарады, ал екі ядроның бір-біріне әсерінен тебіліс пайда болады. Егер ядроларды тербеліске келтіретін энергия жеткілікті, тіпті көп болса, онда тербелмелі қозғалыс ангармоникалық заңдылыққа бағынады.

Инфрақызыл спектрлер (КҚС) инфрақызыл сәулелер үшін мөлдір, яғни сәулені тұтпайтын ас тұзы, калий бромиді сияқты кристалдар оптикалық аспаптары бар спектограф көмегімен жазылады. ИК-сәулелерді тіркеу олардың жылу әсеріне негізделіп, термоэлемент пен болометр және өзі жазатын құралдар, қондырғылар көмегімен жүзеге асады. Сұйық және газ күйіндегі қосылыстардың ИҚ-спектрлері бірден жазылып шығады, ал қатты заттардын спектрін жазу үшін оларды әуелі бір ортада ұсактап аламыз. Тәжірибеден алынған деректерге қараған-да, сіңіру ИҚ-спектрлері сіңіру энергиясының толқын жиілігіне не оның ұзындығына тәуелді болады.

ИК-спектрлерде кез келген толқын көрініп, анықтала бермейді, тек молекуланың дипольдік моментіне әсер етіп, оны өзгертуге себепкер болатын толқындар ғана жазылады. Бұл құбылыс оңай түсіндіріледі және молекуладағы атом құрылысы мен ИК-спектрлер арасындағы табиғи бірлікті, байланысты көрсетеді. Таралатын толқындардың бәрі де тербелмелі электромагниттік өрісі бар құбылыс және оның пайда болуы үшін электр зарядының осцилляциялануы шарт. Зерттелетін зат толқынды өзіне сіңірсе, онда оныңорнына осцилдеуші электр заряды пайда болады. Молекуладағы ядро электрондар ықпалынан пайда болатын электр өрісінің ортасында тербеледі. Мұндайда оң және теріс зарядтардың тез-тез қайта бөлініп, таралуы салдарынан дипольдік момент өзгерсе, онда дипольдік момент қандай жиілікте осцилденсе, ИК-сәуле де сондай жиілікпен таралады.

Валенттілік және деформациялық тербелістерді тек олардың өздеріне ғана тән жиілік шамасына орай айыруға болады. Мысалы, көміртек пен сутек арасындағы валенттілік тербеліс 2800— 3000 см~’ жиілікте кездеседі. Ал, валенттілік бұрыштарын деформациялауға жұмсалатын күш шамасы, осы байланысты созуға, алыстатуға қажетті күштен кем болады. Олай болса, сол көміртек пен сутек байланысын деформациялау тербелісі 1200—1400 см~’ жиілік шамасында екен, әрине, бұл валенттілік тербеліс жиілігінен екі еседей аз.

Көптеген қосылыстардын молекуланың спектрінде белгілі бір құрылымдағы топ қайталана берсе, онда оларға ортақ жиілікті бөліп көрсетуге болады. Бұл жиілік тек осы топтағы байланысты ғана сипаттайды. Айталық, көміртек пен көміртек арасындағы қос байланыс 1710 см-І, спирттегі оттек пен сутек арасындағы байланыс 3688 см~! жиілікте сипатталады. Барлық химиялық элементтерді, олардың арасындағы валенттілік байланыстар белгілі бір жиілікке сай келеді және ол анықтамалықтарда беріледі. ИК-спектрді пайдаланып құрамы, құрылысы әлі белгісіз кез келген қосылыстарды зерттеп, қандай химиялық элементтерден құралғанын және олардың қалай байланысқанын анықтауға болады. ИҚ-спектр көмегімен тек химиялық ғана емес физикалық зерттеулер де жүргізіледі, бұл әдіс ғылым лабораториясынан өндіріс лабораториясынада енуде.

Сілтемелер

• Ортаққорда бұған қатысты медиафайлдар бар: Молекула