Μοριακή δομή της ύλης. Οργανική χημεία
Όλα τα σώματα που μας περιβάλλουν είναι φτιαγμένα από άτομα. Τα άτομα, με τη σειρά τους, συναρμολογούνται σε ένα μόριο. Λόγω της διαφοράς στη μοριακή δομή μπορούμε να μιλήσουμε για ουσίες που διαφέρουν μεταξύ τους, με βάση τις ιδιότητες και τις παραμέτρους τους. Τα μόρια και τα άτομα βρίσκονται πάντα σε κατάσταση δυναμικής. Κινούμενοι, εξακολουθούν να μην διασκορπίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, αλλά διατηρούνται σε μια συγκεκριμένη δομή, την οποία οφείλουμε στην ύπαρξη μιας τέτοιας τεράστιας ποικιλίας ουσιών σε ολόκληρο τον κόσμο γύρω μας. Ποια είναι αυτά τα σωματίδια και ποιες οι ιδιότητές τους;
Γενικές έννοιες
Αν ξεκινήσουμε από τη θεωρία της κβαντομηχανικής, τότε το μόριο δεν αποτελείται από άτομα, αλλά τους πυρήνες και τα ηλεκτρόνια τους, τα οποία αλληλεπιδρούν συνεχώς μεταξύ τους.
Για ορισμένες ουσίες, ένα μόριο είναι το μικρότερο σωματίδιο που έχει σύνθεση και Χημικές ιδιότητεςη ίδια η ουσία. Έτσι, οι ιδιότητες των μορίων από την άποψη της χημείας καθορίζονται από αυτό και τη σύνθεσή του. Αλλά μόνο για ουσίες με μοριακή δομήο κανόνας λειτουργεί: η χημική ουσία και τα μόρια είναι ίδια. Για ορισμένα πολυμερή, όπως το αιθυλένιο και το πολυαιθυλένιο, η σύνθεση δεν αντιστοιχεί στη μοριακή.
Είναι γνωστό ότι οι ιδιότητες των μορίων καθορίζονται όχι μόνο από τον αριθμό των ατόμων, τον τύπο τους, αλλά και από τη διαμόρφωση, τη σειρά σύνδεσης. Ένα μόριο είναι μια σύνθετη αρχιτεκτονική δομή, όπου κάθε στοιχείο στέκεται στη θέση του και έχει τους δικούς του συγκεκριμένους γείτονες. Η ατομική δομή μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο άκαμπτη. Κάθε άτομο δονείται γύρω από τη θέση ισορροπίας του.
Διαμόρφωση και παράμετροι
Συμβαίνει κάποια μέρη ενός μορίου να περιστρέφονται σε σχέση με άλλα μέρη. Έτσι, στη διαδικασία της θερμικής κίνησης, ένα ελεύθερο μόριο παίρνει περίεργα σχήματα (διαμορφώσεις).
Βασικά, οι ιδιότητες των μορίων καθορίζονται από τον δεσμό (τον τύπο του) μεταξύ των ατόμων και την αρχιτεκτονική του ίδιου του μορίου (δομή, σχήμα). Έτσι πρώτα απ' όλα ο στρατηγός χημική θεωρίαεξετάζει τους χημικούς δεσμούς και βασίζεται στις ιδιότητες των ατόμων.
Με έντονη πολικότητα, οι ιδιότητες των μορίων είναι δύσκολο να περιγραφούν με συσχετίσεις δύο ή τριών σταθερών, οι οποίες είναι εξαιρετικές για μη πολικά μόρια. Επομένως, εισήχθη μια πρόσθετη παράμετρος με διπολική ροπή. Αλλά αυτή η μέθοδος δεν είναι πάντα επιτυχημένη, καθώς τα πολικά μόρια έχουν μεμονωμένα χαρακτηριστικά. Έχουν επίσης προταθεί παράμετροι για να λαμβάνονται υπόψη τα κβαντικά φαινόμενα, τα οποία είναι σημαντικά σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Τι γνωρίζουμε για το μόριο της πιο άφθονης ουσίας στη Γη;
Από όλες τις ουσίες στον πλανήτη μας, η πιο άφθονη είναι το νερό. Αυτή, με την κυριολεκτική έννοια, παρέχει ζωή για τα πάντα στη Γη. Μόνο οι ιοί μπορούν να κάνουν χωρίς αυτό, οι υπόλοιπες ζωντανές δομές στη σύνθεσή τους έχουν ως επί το πλείστον νερό. Ποιες ιδιότητες ενός μορίου νερού, χαρακτηριστικές μόνο αυτού, χρησιμοποιούνται στην οικονομική ζωή του ανθρώπου και στη ζωντανή φύση της Γης;
Άλλωστε, αυτή είναι μια πραγματικά μοναδική ουσία! Καμία άλλη ουσία δεν μπορεί να καυχηθεί για ένα σύνολο ιδιοτήτων που είναι εγγενείς στο νερό.
Το νερό είναι ο κύριος διαλύτης στη φύση. Όλες οι αντιδράσεις που συμβαίνουν σε ζωντανούς οργανισμούς, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, συμβαίνουν στο υδάτινο περιβάλλον. Δηλαδή, οι ουσίες εισέρχονται σε αντιδράσεις ενώ βρίσκονται σε διαλυμένη κατάσταση.
Το νερό έχει εξαιρετική θερμική ικανότητα, αλλά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Χάρη σε αυτές τις ιδιότητες, μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε ως μεταφορά θερμότητας. Αυτή η αρχή περιλαμβάνεται στον μηχανισμό ψύξης ενός μεγάλου αριθμού οργανισμών. Στην πυρηνική μηχανική ενέργειας, οι ιδιότητες του μορίου του νερού οδήγησαν στη χρήση αυτής της ουσίας ως φορέα θερμότητας. Εκτός από την ικανότητα να είναι αντιδραστικό μέσο για άλλες ουσίες, το ίδιο το νερό μπορεί να εισέλθει σε αντιδράσεις: φωτόλυση, ενυδάτωση και άλλες.
Φυσικός καθαρό νερόείναι ένα υγρό που είναι άοσμο, άχρωμο και άγευστο. Αλλά σε πάχος στρώσης μεγαλύτερο από 2 μέτρα, το χρώμα γίνεται μπλε.
Ολόκληρο το μόριο του νερού είναι ένα δίπολο (δύο αντίθετοι πόλοι). Είναι η δομή του διπόλου που καθορίζει κυρίως τις ασυνήθιστες ιδιότητες αυτής της ουσίας. Ένα μόριο νερού είναι διαμαγνητικό.
Το λιωμένο νερό έχει μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα: το μόριο του αποκτά τη δομή της χρυσής αναλογίας και η δομή της ουσίας αποκτά τις αναλογίες της χρυσής αναλογίας. Πολλές από τις ιδιότητες που διαθέτει ένα μόριο νερού έχουν αποδειχθεί με την ανάλυση της απορρόφησης και της εκπομπής ριγέ φασμάτων στην αέρια φάση.
Φυσικές επιστήμες και μοριακές ιδιότητες
Όλες οι ουσίες, εκτός από τις χημικές, έχουν τις φυσικές ιδιότητες των μορίων που περιλαμβάνονται στη δομή τους.
V φυσική επιστήμηΗ έννοια των μορίων χρησιμοποιείται για να εξηγήσει τις ιδιότητες των στερεών, των υγρών και των αερίων. Η ικανότητα διάχυσης όλων των ουσιών, το ιξώδες, η θερμική αγωγιμότητα και άλλες ιδιότητες καθορίζονται από την κινητικότητα των μορίων. Όταν ο Γάλλος φυσικός Jean Perrin μελέτησε την κίνηση Brown, απέδειξε πειραματικά την ύπαρξη μορίων. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί υπάρχουν χάρη σε μια απαλά ισορροπημένη εσωτερική αλληλεπίδραση στη δομή. Όλες οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των ουσιών είναι θεμελιώδους σημασίας για τη φυσική επιστήμη. Η ανάπτυξη της φυσικής, της χημείας, της βιολογίας και της μοριακής φυσικής οδήγησε σε μια τέτοια επιστήμη όπως η μοριακή βιολογία, η οποία μελετά τα βασικά φαινόμενα στη ζωή.
Χρησιμοποιώντας τη στατιστική θερμοδυναμική, οι φυσικές ιδιότητες των μορίων, οι οποίες προσδιορίζονται με μεθόδους μοριακής φασματοσκοπίας, στη φυσική χημεία καθορίζουν τις ουσίες που είναι απαραίτητες για τον υπολογισμό των χημικών ισορροπιών και τους ρυθμούς εγκαθίδρυσής τους.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των ιδιοτήτων των ατόμων και των μορίων μεταξύ τους;
Πρώτα απ 'όλα, τα άτομα δεν εμφανίζονται σε ελεύθερη κατάσταση.
Τα μόρια έχουν πλουσιότερα οπτικά φάσματα. Αυτό οφείλεται στη μικρότερη συμμετρία του συστήματος και στην εμφάνιση της πιθανότητας νέων περιστροφών και δονήσεων των πυρήνων. Η συνολική ενέργεια ενός μορίου είναι το άθροισμα τριών ενεργειών, οι οποίες διαφέρουν ως προς την τάξη μεγέθους των συστατικών:
- ηλεκτρονικό κέλυφος (οπτική ή υπεριώδης ακτινοβολία).
- δονήσεις των πυρήνων (υπέρυθρο μέρος του φάσματος).
- περιστροφή του μορίου στο σύνολό του (εύρος ραδιοσυχνοτήτων).
Τα άτομα εκπέμπουν χαρακτηριστικά και τα μόρια - ριγέ, που αποτελούνται από πολλές γραμμές σε κοντινή απόσταση.
Φασματική ανάλυση
Οι οπτικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές και άλλες ιδιότητες ενός μορίου προσδιορίζονται επίσης από τη σύνδεση με. Τα δεδομένα για τις καταστάσεις των μορίων και την πιθανή μετάβαση μεταξύ τους δείχνουν μοριακά φάσματα.
Οι μεταβάσεις (ηλεκτρονικές) στα μόρια δείχνουν τους χημικούς δεσμούς και τη δομή των ηλεκτρονικών τους κελύφους. Τα φάσματα με περισσότερους δεσμούς έχουν ζώνες απορρόφησης μεγάλου μήκους κύματος που πέφτουν στην ορατή περιοχή. Εάν μια ουσία είναι κατασκευασμένη από τέτοια μόρια, έχει ένα χαρακτηριστικό χρώμα. Είναι όλο
Οι ιδιότητες των μορίων της ίδιας ουσίας είναι ίδιες σε όλες τις καταστάσεις συσσωμάτωσης. Αυτό σημαίνει ότι για τις ίδιες ουσίες, οι ιδιότητες των μορίων υγρών, αέριων ουσιών δεν διαφέρουν από τις ιδιότητες ενός στερεού. Ένα μόριο μιας ουσίας έχει πάντα την ίδια δομή, ανεξάρτητα από το συγκεντρωτική κατάστασηη ίδια η ουσία.
Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά
Ο τρόπος που συμπεριφέρεται η ουσία ηλεκτρικό πεδίο, καθορίζεται Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικάμόρια: ικανότητα πόλωσης και σταθερή διπολική ροπή.
Η διπολική ροπή είναι η ηλεκτρική ασυμμετρία ενός μορίου. Τα μόρια που έχουν κέντρο συμμετρίας όπως το H 2 δεν έχουν μόνιμη διπολική ροπή. Η ικανότητα του ηλεκτρονιακού κελύφους ενός μορίου να κινείται υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, ως αποτέλεσμα του οποίου σχηματίζεται σε αυτό μια επαγόμενη διπολική ροπή, είναι η πόλωση. Για να βρεθεί η τιμή της πολωσιμότητας και της διπολικής ροπής, είναι απαραίτητο να μετρηθεί η διηλεκτρική σταθερά.
Η συμπεριφορά ενός φωτεινού κύματος σε ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο χαρακτηρίζεται από τις οπτικές ιδιότητες μιας ουσίας, οι οποίες καθορίζονται από την πολωσιμότητα του μορίου αυτής της ουσίας. Άμεσα συνδεδεμένα με την πολωσιμότητα είναι: η σκέδαση, η διάθλαση, η οπτική δραστηριότητα και άλλα φαινόμενα της μοριακής οπτικής.
Μπορείτε να ακούσετε συχνά την ερώτηση: "Από τι, εκτός από τα μόρια, εξαρτώνται οι ιδιότητες μιας ουσίας;" Η απάντηση είναι αρκετά απλή.
Οι ιδιότητες των ουσιών, εκτός από την ισομετρία και την κρυσταλλική δομή, καθορίζονται από τη θερμοκρασία περιβάλλον, η ίδια η ουσία, η πίεση, η παρουσία ακαθαρσιών.
Χημεία μορίων
Πριν από τη διαμόρφωση μιας τέτοιας επιστήμης όπως κβαντική μηχανικήΗ φύση των χημικών δεσμών στα μόρια ήταν ένα άλυτο μυστήριο. Η κλασική φυσική δεν μπορούσε να εξηγήσει την κατεύθυνση και τον κορεσμό των δεσμών σθένους. Μετά τη δημιουργία βασικών θεωρητικών πληροφοριών για τον χημικό δεσμό (1927) χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του απλούστερου μορίου Η2, η θεωρία και οι μέθοδοι υπολογισμού άρχισαν σταδιακά να βελτιώνονται. Για παράδειγμα, με βάση την ευρεία χρήση της μεθόδου των μοριακών τροχιακών, την κβαντική χημεία, κατέστη δυνατός ο υπολογισμός των διατομικών αποστάσεων, η ενέργεια των μορίων και οι χημικοί δεσμοί, η κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων και άλλα δεδομένα που συνέπιπταν πλήρως με τα πειραματικά αυτές.
Ουσίες με την ίδια σύνθεση, αλλά διαφορετικές χημική δομήκαι διαφορετικές ιδιότητες ονομάζονται δομικά ισομερή. Έχουν διαφορετικούς δομικούς τύπους, αλλά τους ίδιους μοριακούς τύπους.
Γνωστός ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙδομικός ισομερισμός. Οι διαφορές βρίσκονται στη δομή του σκελετού άνθρακα, στη θέση της λειτουργικής ομάδας ή στη θέση του πολλαπλού δεσμού. Επιπλέον, υπάρχουν ακόμη χωρικά ισομερή, στα οποία οι ιδιότητες ενός μορίου ουσίας χαρακτηρίζονται από την ίδια σύνθεση και χημική δομή. Επομένως, τόσο δομικά όσο και μοριακούς τύπουςέχουν το ίδιο. Οι διαφορές έγκεινται στο χωρικό σχήμα του μορίου. Για την απεικόνιση διαφορετικών χωρικών ισομερών, χρησιμοποιούνται ειδικοί τύποι.
Υπάρχουν ενώσεις που ονομάζονται ομόλογα. Είναι παρόμοια στη δομή και τις ιδιότητες, αλλά διαφέρουν στη σύνθεση κατά μία ή περισσότερες ομάδες CH2. Όλες οι ουσίες παρόμοιες σε δομή και ιδιότητες συνδυάζονται σε ομόλογες σειρές. Έχοντας μελετήσει τις ιδιότητες ενός ομολόγου, μπορεί κανείς να συλλογιστεί οποιαδήποτε άλλη από αυτές. Μια συλλογή ομόλογων είναι μια ομόλογη σειρά.
Όταν οι δομές μιας ουσίας μετασχηματίζονται, οι χημικές ιδιότητες των μορίων αλλάζουν δραματικά. Ακόμη και οι απλούστερες ενώσεις χρησιμεύουν ως παράδειγμα: το μεθάνιο, συνδυάζοντας ακόμη και με ένα άτομο οξυγόνου, γίνεται ένα δηλητηριώδες υγρό που ονομάζεται μεθανόλη (μεθυλική αλκοόλη - CH3OH). Αντίστοιχα, η χημική του συμπληρωματικότητα και η επίδρασή του στους ζωντανούς οργανισμούς γίνονται διαφορετικά. Παρόμοιες, αλλά πιο περίπλοκες αλλαγές συμβαίνουν κατά την τροποποίηση των δομών των βιομορίων.
Οι χημικές μοριακές ιδιότητες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη δομή και τις ιδιότητες των μορίων: από ενεργειακούς δεσμούςσε αυτό και τη γεωμετρία του ίδιου του μορίου. Αυτό λειτουργεί ιδιαίτερα σε βιολογικά ενεργές ενώσεις. Το ποια ανταγωνιστική αντίδραση θα επικρατήσει συχνά καθορίζεται μόνο από χωρικούς παράγοντες, οι οποίοι, με τη σειρά τους, εξαρτώνται από τα αρχικά μόρια (τη διαμόρφωσή τους). Ένα μόριο με «άβολη» διαμόρφωση δεν θα αντιδράσει καθόλου, ενώ ένα άλλο, με την ίδια χημική σύνθεση, αλλά με διαφορετική γεωμετρία, μπορεί να αντιδράσει σε μια αντίδραση αμέσως.
Ένας μεγάλος αριθμός βιολογικών διεργασιών που παρατηρούνται κατά την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή σχετίζονται με γεωμετρικές σχέσεις μεταξύ των προϊόντων της αντίδρασης και των αρχικών ουσιών. Προς ενημέρωσή σας: η επίδραση ενός σημαντικού αριθμού νέων φαρμάκων βασίζεται σε παρόμοια μοριακή δομή οποιασδήποτε ένωσης που είναι επιβλαβής από βιολογική άποψη για τον ανθρώπινο οργανισμό. Το φάρμακο παίρνει τη θέση του επιβλαβούς μορίου και δυσκολεύει τη δράση του.
Με τη βοήθεια χημικών τύπων, εκφράζεται η σύνθεση και οι ιδιότητες των μορίων διαφορετικών ουσιών. Με βάση το μοριακό βάρος, καθορίζεται η ατομική αναλογία και συντάσσεται ένας εμπειρικός τύπος.
Γεωμετρία
Ο προσδιορισμός της γεωμετρικής δομής του μορίου πραγματοποιείται λαμβάνοντας υπόψη τη διάταξη ισορροπίας ατομικούς πυρήνες... Η ενέργεια αλληλεπίδρασης των ατόμων εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ των πυρήνων των ατόμων. Σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, αυτή η ενέργεια είναι μηδενική. Όταν τα άτομα ενώνονται, αρχίζει να σχηματίζεται ένας χημικός δεσμός. Τότε τα άτομα έλκονται έντονα μεταξύ τους.
Αν παρατηρηθεί ασθενής έλξη, τότε δεν είναι απαραίτητος ο σχηματισμός χημικού δεσμού. Εάν τα άτομα αρχίσουν να πλησιάζουν πιο κοντά σε πιο κοντινές αποστάσεις, αρχίζουν να ενεργούν ηλεκτροστατικές απωστικές δυνάμεις μεταξύ των πυρήνων. Ένα εμπόδιο για μια ισχυρή προσέγγιση των ατόμων είναι η ασυμβατότητα των εσωτερικών ηλεκτρονικών κελυφών τους.
Διαστάσεις (επεξεργασία)
Είναι αδύνατο να δεις μόρια με γυμνό μάτι. Είναι τόσο μικρά που ακόμη και ένα μικροσκόπιο με μεγέθυνση 1000x δεν θα μας βοηθήσει να τα δούμε. Οι βιολόγοι παρατηρούν βακτήρια με μέγεθος 0,001 mm. Όμως τα μόρια είναι εκατοντάδες και χιλιάδες φορές μικρότερα από αυτά.
Σήμερα, η δομή των μορίων μιας συγκεκριμένης ουσίας προσδιορίζεται με μεθόδους περίθλασης: περίθλαση νετρονίων, δομική ανάλυση ακτίνων Χ. Υπάρχει επίσης φασματοσκοπία δόνησης και παραμαγνητική μέθοδος ηλεκτρονίων. Η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας και την κατάστασή της.
Το μέγεθος ενός μορίου είναι μια τιμή υπό όρους εάν ληφθεί υπόψη το κέλυφος ηλεκτρονίων. Το σημείο βρίσκεται στην απόσταση των ηλεκτρονίων από τους ατομικούς πυρήνες. Όσο μεγαλύτερα είναι, τόσο λιγότερο πιθανό είναι να βρεθούν τα ηλεκτρόνια του μορίου. Στην πράξη, το μέγεθος των μορίων μπορεί να προσδιοριστεί λαμβάνοντας υπόψη την απόσταση ισορροπίας. Αυτό είναι το διάστημα στο οποίο τα ίδια τα μόρια μπορούν να πλησιάσουν το ένα το άλλο σε στενή συσκευασία σε ένα μοριακό κρύσταλλο και σε ένα υγρό.
Οι μεγάλες αποστάσεις εκθέτουν τα μόρια στην έλξη και οι μικρές, αντίθετα, στην απώθηση. Επομένως, η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ των μοριακών κρυστάλλων βοηθά να βρεθεί το μέγεθος του μορίου. Χρησιμοποιώντας τον συντελεστή διάχυσης, τη θερμική αγωγιμότητα και το ιξώδες των αερίων, καθώς και την πυκνότητα μιας ουσίας σε συμπυκνωμένη κατάσταση, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της τάξης μεγέθους των μοριακών μεγεθών.
Μοριακή δομή, δηλ. Η χημική σύνθεση και η μέθοδος συνδυασμού των ατόμων σε ένα μόριο, δεν καθορίζουν μοναδικά τη συμπεριφορά πολυμερές υλικόκατασκευασμένο από μακρομόρια. Οι ιδιότητες των πολυμερών, ειδικά στην κατάσταση της κρυσταλλικής φάσης, εξαρτώνται από την υπερμοριακή τους δομή, δηλ. η μέθοδος συσκευασίας μακρομορίων σε χωρικά διαχωρισμένα στοιχεία, το μέγεθος και το σχήμα τέτοιων στοιχείων και η σχετική θέση τους στο χώρο. Με άλλα λόγια, η υπερμοριακή δομή νοείται ως σύνθετα συσσωματώματα μεγάλου αριθμού μακρομορίων που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της δράσης διαμοριακών δυνάμεων.
Για τα πολυμερή, οι στερεές και υγρές καταστάσεις συσσωματωμάτων είναι χαρακτηριστικές, που χαρακτηρίζονται από ταλαντωτική και περιστροφική κίνηση των σωματιδίων και μικρές αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων. Τα πολυμερή δεν υπάρχουν σε αέρια κατάσταση, γιατί για να μετακινηθούν τα μακρομόρια σε μεγάλες αποστάσεις, είναι απαραίτητο να ξεπεραστούν ισχυρές διαμοριακές αλληλεπιδράσεις των μακρομορίων της αλυσίδας, οι οποίες απαιτούν ενέργειες συγκρίσιμες με τις ενέργειες των χημικών δεσμών στην αλυσίδα του πολυμερούς, π.χ. θα συμβεί αποικοδόμηση του πολυμερούς.
Η κατάσταση φάσης καθορίζεται από τη σειρά στη διάταξη των μορίων. Υπάρχουν δύο τύποι καταστάσεων φάσης: η άμορφη και η κρυσταλλική. Η κατάσταση άμορφης φάσης χαρακτηρίζεται από τάξη μικρής εμβέλειας σε αποστάσεις 10-15Ǻ. Η θερμοδυναμικά σταθερή κατάσταση είναι ισότροπη, αν και είναι δυνατοί τοπικοί διατεταγμένοι σχηματισμοί διακυμάνσεων σε άμορφα πολυμερή. Ένα από τα πρώτα μοντέλα της δομής της άμορφης κατάστασης των πολυμερών είναι το μοντέλο "παρτίδας" του Kargin. Θεωρήθηκε ότι για τη βέλτιστη συσκευασία μορίων μακράς αλυσίδας σε άμορφα πολυμερή, υπάρχουν διατεταγμένες περιοχές με τη μορφή διαμοριακών δεσμίδων (MMPs) που σχηματίζονται από παράλληλα προσανατολισμένα γειτονικά μακρομόρια με ξεδιπλωμένη επιμήκη διαμόρφωση. Κατά συνέπεια, το κύριο δομικό στοιχείο των πολυμερών γραμμικής εύκαμπτης αλυσίδας στην άμορφη κατάσταση δεν είναι το ίδιο το μακρομόριο, αλλά η ΜΜΡ ή άλλη υπερμοριακή δομή, στην οποία μεμονωμένα μακρομόρια χάνουν την ατομικότητά τους.
Η κατάσταση κρυσταλλικής φάσης χαρακτηρίζεται από μια τρισδιάστατη τάξη μεγάλης εμβέλειας σε αποστάσεις 1000Ǻ. Αυτή η κατάσταση χαρακτηρίζεται από ανισοτροπία ιδιοτήτων, άλματα στις ιδιότητες στη διεπαφή. Στα κρυσταλλικά πολυμερή, υπάρχει σχεδόν πάντα ένα κλάσμα της άμορφης φάσης· συχνά συναντώνται ελαττώματα και εξαρθρώσεις. Οι δυσκολίες στην απόκτηση πολυμερών κρυστάλλων και οι ιδιαιτερότητες της κρυσταλλικής κατάστασης των μακρομορίων συνδέονται με μια ποικιλία υπερμοριακών δομών που εξακολουθούν να υπάρχουν σε άμορφη κατάσταση.
Εκτός από το άμορφο και το κρυσταλλικό, είναι επίσης γνωστή μια ενδιάμεση υγροκρυσταλλική κατάσταση μεσόφασης πολυμερών. Χαρακτηρίζεται από σταθερή σταθερή ανισοτροπία ορισμένων φυσικές ιδιότητες... Στα συνηθισμένα ισότροπα υγρά, η προσωρινή «επαγόμενη» ανισοτροπία μπορεί να εμφανιστεί υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, μηχανικές επιδράσεις κ.λπ. Αντίθετα, στα πολυμερή, λόγω της χαμηλής κινητικότητας των μακρομορίων και των μεγάλων χρόνων χαλάρωσης, η «επαγόμενη» ανισοτροπία παραμένει για ένα απείρως μεγάλο χρονικό διάστημα? είναι βιώσιμο.
Υπερμοριακή δομή άμορφων πολυμερών
Η πληρέστερη κατανόηση των διαδικασιών σχηματισμού υπερμοριακών δομών και των τυπικών μορφών τους μπορεί να επιτευχθεί εάν ανιχνευθεί ολόκληρη η διαδικασία σχηματισμού δομής. Υπάρχουν δύο τρόποι για να σχηματίσετε δομές. Εάν τα μακρομόρια είναι αρκετά εύκαμπτα, τότε μπορούν να τυλίγουν σφαιρικά σωματίδια (πηνία), τα λεγόμενα σφαιρίδια.
Η αμοιβαία διάταξη των μεμονωμένων τμημάτων ενός μακρομορίου αλυσίδας μέσα σε ένα τέτοιο σφαιρίδιο είναι, κατά κανόνα, τυχαία και σχεδόν οποιοδήποτε πολυμερές που μετατρέπεται σε μορφή σφαιριδίων βρίσκεται σε άμορφη κατάσταση. Για παράδειγμα, πολυαιθυλένιο, πολυαμίδια.
Σε πολύ αραιά διαλύματα, η συντριπτική πλειοψηφία των πολυμερών έχει τη μορφή τέτοιων πηνίων. Η πιο κοινή μέθοδος για τη λήψη πολυμερών σε σφαιρική κατάσταση είναι η εξάτμιση διαλυτών από διαλύματα στις χαμηλότερες δυνατές θερμοκρασίες. Τα μακρομόρια ενός αριθμού πρωτεϊνών βρίσκονται επίσης σε σφαιρική κατάσταση. Η σφαιρική δομή είναι ωφέλιμη μόνο για τη μεταφορά μιας πολυμερούς ουσίας σε διαλυμένη κατάσταση, είναι πολύ σημαντική για βιολογικές διεργασίες. Για όλες τις άλλες περιπτώσεις, σημαίνει την απώλεια βασικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με τη δομή της γραμμικής αλυσίδας του μακρομορίου.
Η ικανότητα των σφαιρικών πολυμερών να σχηματίζουν πιο πολύπλοκες δομές είναι πολύ περιορισμένη. Εάν το πολυμερές είναι μονοδιασπαρμένο, δηλ. όλα τα μακρομόριά του είναι τα ίδια, τότε τα σφαιρίδια γεμίζουν με το σχηματισμό μιας δομής με πυκνή συσσώρευση σφαιρών. Έτσι σχηματίζονται μονοκρυστάλλοι σφαιρικών πρωτεϊνών. Για παράδειγμα, ο ιός του μωσαϊκού του καπνού.
Τα σφαιρίδια σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της περίσσειας της δύναμης της ενδομοριακής αλληλεπίδρασης έναντι των δυνάμεων της διαμοριακής αλληλεπίδρασης.
Επιπλέον, για να αλλάξει από ένα επίμηκες σχήμα σε ένα σφαιρικό, η μοριακή αλυσίδα πρέπει να είναι αρκετά εύκαμπτη ώστε να διπλώνει.
Ρύζι. 1. Μόριο υπερκόλλας
Εάν το πολυμερές είναι σε μια εξαιρετικά ελαστική κατάσταση, τότε μεμονωμένα σφαιρικά σωματίδια μπορούν να συγχωνευθούν σε ένα σωματίδιο μεγαλύτερο μέγεθος... Εμφανίζονται σφαιρίδια που περιέχουν περισσότερα (δέκα, εκατοντάδες, χιλιάδες) σωματίδια. Η διαδικασία αυτή τελειώνει είτε με τη διαστρωμάτωση του συστήματος, είτε με τη σταθεροποίηση των διαμορφωμένων μεγάλων σφαιριδίων, λόγω κάλυψης της επιφάνειάς τους με ακαθαρσίες ή αναδιάταξής τους σε γραμμικές δομές. Παρόμοιες διεργασίες συμβαίνουν κατά τον πολυμερισμό. Ανάλογα με τις συνθήκες πολυμερισμού, ορισμένες διαμορφώσεις μπορεί να είναι θερμοδυναμικά πιο ευνοϊκές. Επομένως, από το ίδιο πολυμερές, είναι δυνατό να ληφθούν πολλά πολυμερή με διαφορετικές φυσικές δομές, οι ακραίοι τύποι των οποίων θα είναι σφαιρικοί και ινιδώδεις.
Είναι γνωστό ότι υπάρχουν ξεχωριστές ξεδιπλωμένες γραμμικές αλυσίδες πολυμερών ουσιών. Οι ξεδιπλωμένες μακρομοριακές αλυσίδες σχηματίζουν γραμμικά συσσωματώματα - δέσμες αλυσίδων. Ένα τυπικό χαρακτηριστικό αυτών των σχηματισμών είναι ότι τα μήκη τους υπερβαίνουν σημαντικά το μήκος μεμονωμένων αλυσίδων. Κάθε ένα από αυτά τα πακέτα περιλαμβάνει δεκάδες, εκατοντάδες μεμονωμένα μακρομόρια. Αυτές οι δέσμες αλυσίδων είναι ανεξάρτητα δομικά στοιχεία από τα οποία στη συνέχεια κατασκευάζονται πιο περίπλοκες κατασκευές.
Το μοντέλο έκρηξης έχει υποστεί πρόσφατα μια κριτική αναθεώρηση. Ο Weinstein, ο οποίος μελέτησε την περίθλαση ακτίνων Χ σε ένα άμορφο πολυμερές, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η δομή ενός τέτοιου πολυμερούς δεν μπορεί να είναι μια παρτίδα. Το μήκος των παράλληλων τμημάτων των μορίων πολυμερούς, κατά τη γνώμη του, δεν είναι μεγάλο και είναι περίπου ίσο με το πλάτος τους. Οι περιοχές αυτές συγχωνεύονται σταδιακά μεταξύ τους, μέσα τους και στις μεταβατικές ζώνες μεταξύ τους σχηματίζονται «λοξές» επαφές μορίων. Επιπλέον, το μοντέλο έκρηξης έρχεται σε αντίφαση με τις κύριες διατάξεις της κινητικής θεωρίας της υψηλής ελαστικότητας, κάτι που επιβεβαιώνεται καλά από το πείραμα.
Ο Yeh πρότεινε ένα άλλο μοντέλο για την υπερμοριακή οργάνωση ενός άμορφου πολυμερούς. Το πρότεινε άμορφη κατάστασητα πολυμερή χαρακτηρίζονται από την παρουσία διατεταγμένων περιοχών - τομείς("Κόκκοι") που σχηματίζονται από μακρομόρια με διπλωμένες διαμορφώσεις.
Οι τομείς συνδέονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας βρόχους διέλευσης. Οι περιοχές μεταξύ τομέων αποτελούνται από μονάδες τυχαίως τοποθετημένων αλυσίδων και περιλαμβάνουν επίσης διαμπερείς αλυσίδες και ελεύθερα άκρα αλυσίδων που δεν περιλαμβάνονται σε τομείς.
Υπάρχουν τρεις πιθανοί τύποι τομέων: διπλωμένος (κυματοειδές), φυλλοειδής (μικκυλιακός) και σφαιρικός. Οι δύο τελευταίοι τύποι είναι σε καλή συμφωνία με τις θεωρίες κατά παρτίδες και σφαιρικές. Αυτό αποκαλύπτει την αξιοπρέπεια της θεωρίας του τομέα ως γενικότερης και ενωτικής.
Η ύπαρξη περιοχών στα τήγματα πολυμερών είναι διακυμάνσεως. Οι τομείς είναι ένα σύνολο διαμοριακών δεσμών που προκύπτουν και καταστρέφονται υπό την επίδραση της θερμικής κίνησης. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μικρότερη είναι η διάρκεια ζωής του τομέα και τόσο μικρότερο είναι το μέγεθός του. Με τη μείωση της ευελιξίας των αλυσίδων, η κανονικότητά τους, η τάση σχηματισμού περιοχών μειώνεται.
Δεν είναι πάντα δυνατός ο εντοπισμός περιοχών σε τήγματα πολυμερών με άκαμπτες ακανόνιστες αλυσίδες. Πιστεύεται ότι υπό τέτοιες συνθήκες δεν σχηματίζονται και οι αλυσίδες έχουν τη μορφή στατιστικών κουβάρι-σφαιριδίων. Οι μπάλες διαπερνούν η μία την άλλη, σχηματίζοντας άμεσες επαφές.
Σε αντίθεση με τους Yeh, Arisakov, Bakeev και Kabanov, χρησιμοποιώντας το μοντέλο του Yeh, πιστεύεται ότι ένα άμορφο πολυμερές αποτελείται από πυκνά συσκευασμένα ινίδια. Κάθε ινίδιο αποτελείται από διπλωμένους τομείς, συνδεδεμένους με αλυσίδες μετάδοσης. Ωστόσο, τα πειραματικά δεδομένα δεν επιτρέπουν να θεωρηθεί το ινίδιο ως η κύρια μορφή της υπερμοριακής οργάνωσης του άμορφου πολυμερούς.
Προτάθηκε επίσης ένα μοντέλο συστάδων για να εξηγήσει την υπερμοριακή οργάνωση των άμορφων πολυμερών.
Τα σμήνη είναι περιοχές στις οποίες υπάρχει πυκνότερη συσσώρευση μορίων ή σωματιδίων, καθώς και η πιο διατεταγμένη διάταξη τους σε σύγκριση με την κύρια, χαλαρότερη και πιο διαταραγμένη μάζα ύλης. Επομένως, η πυκνότητα του συμπλέγματος είναι κάπως υψηλότερη από τη μέση πυκνότητα του πολυμερούς στο σύνολό του. Αλλά σε σύγκριση με τους κρυστάλλους, οι συστάδες είναι λιγότερο διατεταγμένες και λιγότερο πυκνά συσκευασμένες περιοχές. Από αυτή την άποψη, υπάρχουν δύο τύποι συστάδων:
1. Κρυσταλλικό -συστάδες στις οποίες, υπό ορισμένες συνθήκες, μπορεί να επιτευχθεί μια πιο διατεταγμένη διάταξη μακρομορίων. Είναι ικανά να κρυσταλλωθούν.
2. Αντικρυσταλλικό- συστάδες που ουσιαστικά δεν κρυσταλλώνονται.
Ένα άμορφο πολυμερές είναι μια συλλογή αντικρυσταλλικών συστάδων που περιβάλλονται από λιγότερο διατεταγμένες και χαλαρότερες περιοχές. Κατά συνέπεια, η πυκνότητα των άμορφων πολυμερών είναι ευθέως ανάλογη με το κλάσμα όγκου των συστάδων. Αυτό συμπίπτει με ένα τέτοιο πειραματικό γεγονός όπως η αύξηση της πυκνότητας των άμορφων πολυμερών κατά την ανόπτηση. Η ανόπτηση οδηγεί σε αύξηση του αριθμού των αντικρυσταλλικών συστάδων, σε αύξηση του μέσου μεγέθους αυτών των σχηματισμών και σε πιο διατεταγμένη διάταξη πολυμερικών αλυσίδων σε αυτά.
Τα άμορφα πολυμερή έχουν έναν τυχαίο προσανατολισμό των πολυμερών τους αλυσίδων, ενώ τα κρυσταλλικά πολυμερή σχηματίζουν μια εξαιρετικά διατεταγμένη κρυσταλλική δομή σε μια άμορφη μήτρα (Εικόνα 2). Ο όρος ημι-κρυσταλλικά πολυμερή χρησιμοποιείται για πολυμερή που περιέχουν τόσο κρυσταλλικές όσο και άμορφες περιοχές.
Ρύζι. 2. Άμορφα πολυμερή
Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του μοντέλου συστάδας είναι ότι στερείται ρυθμισμένου χαρακτήρα της διάταξης των αλυσίδων μέσα σε ένα σύμπλεγμα (καθορίζεται από τη χημική δομή του πολυμερούς, το μοριακό του βάρος). Ένα σύμπλεγμα μπορεί να αποτελείται τόσο από μακρομόρια με διπλωμένη διαμόρφωση όσο και από ξεδιπλωμένα στοιχεία πολυμερών αλυσίδων που δεν σχηματίζουν πτυχές. Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι η φύση των διακυμάνσεων των συστάδων.
Οι οργανώσεις των μακρομορίων σε άμορφα πολυμερή που περιγράφηκαν παραπάνω είναι μόνο οι απλούστερες αναπαραστάσεις των μορφών ταξινόμησης των μακρομορίων. Είναι σημαντικά στο ότι αποτελούν το πρώτο στάδιο στην οργάνωση των μακρομορίων, χωρίς τα οποία είναι αδύνατη μια ποικιλία υπερμοριακών δομών κρυσταλλικών πολυμερών.
Υπερμοριακή δομή κρυσταλλικών πολυμερών
Η κατάσταση φάσης των πολυμερών ή η ικανότητα των πολυμερών να κρυσταλλώνονται εξαρτάται από πολλές συνθήκες: θερμοκρασία και ρυθμός κρυστάλλωσης, θερμικό ιστορικό, παρουσία ξένων ουσιών. Ανάλογα με τις συνθήκες κρυστάλλωσης, πολλές μορφολογικές μορφές κρυσταλλικών δομών μπορούν να ληφθούν ακόμη και για το ίδιο πολυμερές. Η ποικιλία των υπερμοριακών δομών στα κρυσταλλικά πολυμερή οφείλεται στην ευελιξία και τη δομή μακράς αλυσίδας των πολυμερών.
Ένα από τα χαρακτηριστικά της κρυσταλλικής κατάστασης των πολυμερών είναι η παρουσία μιας σημαντικής ποσότητας αταξίας σε αυτά - το "κλάσμα της άμορφης φάσης". Ως εκ τούτου, δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις διαδικασίες κρυστάλλωσης.
Όταν ο διαλύτης αφαιρείται από ένα αραιό διάλυμα πολυμερούς, στην περίπτωση μιας αρκετά ισχυρής διαμοριακής αλληλεπίδρασης, τα μακρομόρια μπορούν να συσχετιστούν στη στοίβα. Ένα πακέτο είναι μια πρωτογενής υπερμοριακή δομή.
Εάν ένα πακέτο σχηματίζεται από κανονικά εύκαμπτα μακρομόρια, τότε υπό κατάλληλες θερμοδυναμικές συνθήκες θα συμβεί κρυστάλλωση σε αυτό, δηλαδή, τα μακρομόρια θα διατάσσονται έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα χωρικό πλέγμα. Το κρυσταλλοποιημένο μέλος έχει μια διεπαφή και μια επιφανειακή τάση χαρακτηριστική μιας κρυσταλλικής ουσίας. Ωστόσο, η εμφάνιση περίσσειας επιφανειακής ενέργειας θα πρέπει να είναι σημαντική σε τόσο λεπτούς και μακριούς σχηματισμούς.
Ως αποτέλεσμα, η κρυσταλλική συσκευασία αποκτά την ικανότητα να διπλώνει σε κορδέλες με μικρότερη πυκνότητα επιφάνειας. Η κορδέλα είναι μια ενεργειακά πιο ευνοϊκή μορφή. Το δίπλωμα ενός πακέτου σε κορδέλες συμβαίνει αυθόρμητα προς την κατεύθυνση της μείωσης της ελεύθερης ενέργειας F<О путем многократного поворота пачки на 180°. Лента - вторичная надмолекулярная структура при пластинчатом механизме кристаллизации. Существование складчатых структур было впервые обнаружено и детально исследовано Келлером на примере полиэтилена и полиамидов.
Ο σχηματισμός δευτερογενών δομών στο κρυσταλλικό πολυμερές δεν σταματά με το σχηματισμό ταινιών. Η απαίτηση μείωσης της επιφανειακής τάσης οδηγεί στην αναδίπλωση των "κορδέλες" σε επίπεδους σχηματισμούς, π.χ. σε πλάκες από έλασμα. Τέτοιες πλάκες σχηματίζονται από τη στήριξη μεμονωμένων "κορδέλες" με τις επίπεδες πλευρές τους, γεγονός που οδηγεί σε περαιτέρω μείωση της επιφάνειας. Για γραμμικά πολυμερή από σύνθετες αλυσίδες, είναι τυπικοί οι ελασματοποιημένοι κρύσταλλοι, οι οποίοι είναι αρκετά τέλειοι σε χαμηλούς ρυθμούς κρυστάλλωσης (μονοκρύσταλλοι πολυαιθυλενίου).
Ρύζι. 3. Οι ρίγες δείχνουν την ανάπτυξη κρυστάλλων πολυαιθυλενίου
Εκτός από τον ελασματικό μηχανισμό σχηματισμού μονοκρυστάλλων, υπάρχει ένας άλλος τύπος δομής, ο οποίος χαρακτηρίζεται από την παρουσία ινιδωδών στοιχείων.
Το πιο σημαντικό πρακτικό παράδειγμα απόκτησης κρυστάλλων στους οποίους οι αλυσίδες διατηρούν σε μεγάλο βαθμό ευθυγραμμισμένες διαμορφώσεις είναι η κρυστάλλωση κατά την ψύξη του τήγματος με την ταυτόχρονη εφαρμογή υψηλών τάσεων. Οι προκύπτουσες δομικές μορφές, που ονομάζονται "shish-kebab", χαρακτηρίζονται από την παρουσία ενός μακριού ινιδώδους κεντρικού κορμού. Σε αυτή τη ράβδο, τα ελάσματα αναπτύσσονται στην εγκάρσια κατεύθυνση, στην οποία οι αλυσίδες είναι σε διπλωμένες διαμορφώσεις.
Μαζί με τον ελασματικό μηχανισμό του σχηματισμού μονοκρυστάλλων, υπάρχει ένας άλλος τύπος σχηματισμού ενός αριθμού ανώτερων υπερμοριακών δομών. Για τον ελασματικό τύπο, το απλούστερο δομικό στοιχείο είναι μια πλάκα με κορδέλες, και για τον ινιδωτό τύπο, τέτοια αναδίπλωση απουσιάζει και τα πακέτα βρίσκονται κατά μήκος του ινιδίου. Ένα και το αυτό πολυμερές μπορεί να κρυσταλλωθεί τόσο στον ελασματικό όσο και στον ινιδιακό τύπο.
Η εικόνα του σχηματισμού μονοκρυστάλλων είναι η περιοριστική εικόνα της διαδικασίας κρυστάλλωσης. Αυτό συνεπάγεται απεριόριστες δυνατότητες για την εμφάνιση καταστάσεων μη ισορροπίας κρυσταλλικών πολυμερών. Όταν η κρυστάλλωση καθυστερεί κατά τον σχηματισμό ταινιών, πλακών και ινιδίων, οδηγεί στον σχηματισμό δομών σφαιρυλίτη - το πιο κοινό στοιχείο μεγάλων δομών.
Πρόκειται για κρυσταλλικά συσσωματώματα με ένα κέντρο και ακτινικό προσανατολισμό κρυστάλλου σε σχέση με το κέντρο.
Είναι τυπικοί ημι-κρυσταλλικοί σχηματισμοί που λαμβάνονται σε πραγματικές συνθήκες σχηματισμού χυτών, μεμβρανών και άλλων πολυμερών προϊόντων που βασίζονται σε κρυσταλλωτικές ενώσεις υψηλού μοριακού βάρους σχεδόν όλων των κατηγοριών.
Προϊόντα πολυστυρενίου. Φωτογραφία: Pat Hayes
Οι σφαιρόλιθοι δεν είναι θερμοδυναμικά πλεονεκτικοί, αλλά είναι κινητικά προτιμότεροι. Τα μεγέθη των σφαιριλιτών μπορεί να ποικίλλουν πολύ - από δεκάδες μικρά έως αρκετά χιλιοστά ή περισσότερα. Οι μικροί σφαιρίτες παρουσιάζουν την ικανότητα να συσσωματώνονται για να σχηματίσουν πολύ μακριά σωματίδια που μοιάζουν με ταινία.
Οι κορδέλες σφαιρουλίτη χαρακτηρίζονται από ανισοτροπία των οπτικών ιδιοτήτων λόγω της ακτινικής ασυμμετρίας της δομής τους. Η αλλαγή στον προσανατολισμό συμβαίνει σε κάθε ακτινική κατεύθυνση, η οποία εκδηλώνεται με την εμφάνιση ενός σχεδίου εναλλασσόμενων φωτεινών και σκούρων δακτυλίων.
Σφαρόλιθοι γραφίτη που φαίνονται κάτω από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο
Εκτός από τους ακτινωτούς, υπάρχουν επίσης δακτυλιοειδείς σφαιρίτες, που χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι ένα έντονο σύστημα εναλλασσόμενων σκοτεινών και φωτεινών δακτυλίων υπερτίθεται στην εικόνα του σταυρού της Μάλτας.
Κατά την κρυστάλλωση σε διαδοχικά χαμηλότερες θερμοκρασίες, μπορούν να ληφθούν διάφορα ενδιάμεσα στάδια από πολύπλευρα ελάσματα έως πολύ διακλαδισμένους δενδρίτες.
Οι δενδρίτες είναι διακλαδισμένοι κρύσταλλοι, μερικές φορές παρόμοιοι με ένα δέντρο (από την ελληνική λέξη "δέντρο"). Όλοι οι κλάδοι του δενδρίτη συνδέονται κρυσταλλογραφικά μεταξύ τους.
Οι υπερμοριακές δομές στα πολυμερή διερευνώνται με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, περίθλαση νετρονίων, περίθλαση ακτίνων Χ, σκέδαση φωτός, διπλή διάθλαση κ.λπ. Ειδικότερα, με τη μέθοδο της διάθλασης νετρονίων χαμηλής δέσμης προσδιορίστηκαν οι ακτίνες περιστροφής των μακρομορίων, οι οποίες συμπίπτουν με οι αδιατάρακτες διαστάσεις των γκαζιανών πηνίων και των αδιατάρακτων «δεσμών». Επί του παρόντος, είναι γνωστά εναλλακτικά δομικά μοντέλα: επικαλυπτόμενα στατιστικά πηνία (PSC). στατιστικά πολύπλοκα μακρομόρια (τομείς) κ.λπ. Ειδικότερα, το μοντέλο PSC που πρότεινε ο Flory κατέστησε δυνατή τη θεωρητική τεκμηρίωση της έννοιας των εμπλοκών και έγινε η βάση για στατιστικές θεωρίες ροών και θερμοδυναμικών ιδιοτήτων συμπυκνωμένων διαλυμάτων πολυμερών. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης διαμορφώσεων σε υπολογιστή με τη μέθοδο Monte Carlo επιβεβαίωσαν επίσης το PSC, το οποίο χαρακτηρίζεται από μια αρκετά πυκνή συσκευασία.
Οι μέθοδοι για τη μελέτη της δομής των πολυμερών μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες. Το πρώτο περιλαμβάνει οπτικές μέθοδοι: οπτικές και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο,στα οποία το χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος (πηγή φωτός ή δέσμη ηλεκτρονίων) είναι πολύ μικρότερο από το μέγεθος των δομικών στοιχείων (μακρομόρια ή τα συσσωματώματά τους).
Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει περίθλαση παρεμβολής μέθοδοι:Περίθλαση ακτίνων Χ, περίθλαση ηλεκτρονίων, νετρονίων, σκέδαση φωτός. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις με μήκος κύματος συγκρίσιμο με το μέγεθος των δομικών στοιχείων που ερευνήθηκαν. Για παράδειγμα, μια από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους - η δομική ανάλυση ακτίνων Χ - βασίζεται στο φαινόμενο της περίθλασης ακτίνων Χ με l = 0,5-2,5 Å. Εάν μια δέσμη ακτίνων Χ πέσει σε κρυστάλλους των οποίων οι γραμμικές διαστάσεις είναι συγκρίσιμες, τότε είναι δυνατό να εκτιμηθεί η περίοδος ταυτότητας, να καθοριστεί η σχετική θέση διαφόρων επιπέδων του κρυσταλλικού πλέγματος, να εκτιμηθεί ο βαθμός κρυσταλλικότητας, το μέγεθος των κρυστάλλων, και τον προσανατολισμό τους.
Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, μπορούν να παρατηρηθούν μεμονωμένα μακρομόρια και τα συσσωματώματά τους. Με αυτή τη μέθοδο ελήφθησαν οι κύριοι τύποι υπερμοριακών δομών που παρουσιάζονται παραπάνω στα σχήματα: ινιδώδεις κρύσταλλοι, μονοκρύσταλλοι και σφαιρίτες.Οι λεπτές λεπτομέρειες της δομής των σφαιριλιτών μπορούν να μελετηθούν μόνο με τη βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.
Η παρουσία σφαιριλιτών επηρεάζει τις μηχανικές (αντοχή) και άλλες ιδιότητες των πολυμερών. Για παράδειγμα, η αδιαφάνεια του πολυαιθυλενίου, του νάιλον και άλλων κρυσταλλικών πολυμερών αποδίδεται στην παρουσία σφαιριλιτών. Η ποικιλία των υπερμοριακών δομών είναι ο κύριος λόγος για τις ειδικές ιδιότητες των κρυσταλλικών πολυμερών.
Ένας από τους κύριους λόγους ενδιαφέροντος για τη φυσική των μακρομορίων είναι η χρήση της για την κατανόηση των μυστικών της ζωντανής φύσης, για την κατανόηση της μοριακής βάσης της συμπεριφοράς των βιολογικών συστημάτων. Η πρόοδος στην κατανόηση του μηχανισμού των διεργασιών της ζωής είναι αδύνατη χωρίς τη χρήση φυσικών και χημικών ιδεών και μεθόδων για τη μελέτη βιολογικών διεργασιών σε μοριακό επίπεδο.
Σε αυτή την ενότητα, αρχίζουμε να μελετάμε τον χημικό δεσμό σε ενώσεις άνθρακα και τη μοριακή τους δομή. Το άτομο άνθρακα έχει ηλεκτρονική διαμόρφωση. Σε αίρεση. 2.1 ειπώθηκε ότι τέσσερα ηλεκτρόνια και 2p-τροχιακά σε ένα άτομο άνθρακα μπορούν να υβριδοποιηθούν ως αποτέλεσμα του σχηματισμού τεσσάρων ισοδύναμων τροχιακών, τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους μόνο ως προς τον χωρικό προσανατολισμό. Αυτά τα τέσσερα τροχιακά επιτρέπουν στο άτομο άνθρακα να σχηματίσει μια τετραεδρική δομή. Ένα κλασικό παράδειγμα αυτού του τύπου δομής είναι το μόριο μεθανίου (Εικόνα 17.18). Στο μόριο του μεθανίου, καθένα από τα τέσσερα υβριδικά τροχιακά του ατόμου του άνθρακα επικαλύπτεται με το α-τροχιακό του ατόμου του υδρογόνου, σχηματίζοντας έναν α-δεσμό. Κάθε β-δεσμός περιέχει δύο ηλεκτρόνια - ένα από ένα άτομο άνθρακα και ένα από ένα άτομο υδρογόνου.
Το τροχιακό 2s και δύο από τα τρία τροχιακά στο άτομο άνθρακα μπορούν επίσης να υβριδοποιηθούν για να σχηματίσουν τρία υβριδικά τροχιακά. Αυτά τα τροχιακά είναι προσανατολισμένα στο ίδιο επίπεδο και επιτρέπουν στο άτομο άνθρακα να δημιουργήσει επίπεδες δομές. Σε αυτή την περίπτωση, το άτομο άνθρακα διατηρεί ένα ακόμη ηλεκτρόνιο, το οποίο δεν συμμετέχει στον υβριδισμό, στο -τροχιακό. Μπορεί να κοινωνικοποιηθεί με το ίδιο -ηλεκτρόνιο ενός γειτονικού ατόμου άνθρακα, σχηματίζοντας μαζί του ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σύνδεσης στο -τροχιακό. Αυτό συμβαίνει στο μόριο αιθυλενίου (Εικόνα 17.19). Ο διπλός δεσμός σε αυτό το μόριο αποτελείται από έναν β-δεσμό και έναν β-δεσμό. Στο σχ. 17.19 - η επικοινωνία απεικονίζεται σχηματικά με τη μορφή δύο νεφών ηλεκτρονίων.
Στο μόριο ακετυλενίου (Εικ. Κάθε άτομο άνθρακα και ένα από τα τροχιακά του υβριδίζονται, σχηματίζοντας δύο τροχιακά. Αυτά τα τροχιακά είναι προσανατολισμένα κατά μήκος μιας γραμμής και επιτρέπουν στα άτομα άνθρακα να δημιουργήσουν μια γραμμική δομή. Κάθε άτομο άνθρακα έχει ακόμα δύο ηλεκτρόνια σε διαφορετικά -τροχιακά.ΜΕ
Ρύζι. 17.18. Μόριο μεθανίου.
Ρύζι. 17.19. Μόριο αιθενίου (αιθυλενίου).
Ρύζι. 17.20. Μόριο αιθίνης (ακετυλενίου).
Με τη βοήθεια αυτών των ηλεκτρονίων, τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν δύο β-δεσμούς μεταξύ τους, προσανατολισμένους σε δύο αμοιβαία κάθετα επίπεδα που διέρχονται από αυτά τα άτομα. Έτσι, ο τριπλός δεσμός στο μόριο ακετυλενίου αποτελείται από έναν β-δεσμό και δύο β-δεσμούς.
Στις αρωματικές ενώσεις, τα -ηλεκτρόνια των έξι ατόμων άνθρακα κάθε κύκλου άνθρακα αποεντοπίζονται, σχηματίζοντας ένα νέφος ηλεκτρονίων (βλ. Εικ. 2.8).
Όλες οι κορεσμένες οργανικές ενώσεις περιέχουν μόνο ομοιοπολικούς β-δεσμούς. Στο σχ. Τα 17.21 και 17.22 απεικονίζουν σχηματικά τον χημικό δεσμό σε μόρια προπανίου και μεθανόλης. Σε αυτά τα σχήματα, κάθε ζεύγος επικαλυπτόμενων ατομικών τροχιακών αντιπροσωπεύει έναν β-δεσμό. Στο σχ. 17.22, επιπλέον, φαίνονται δύο μη δεσμευτικά τροχιακά του ατόμου οξυγόνου. Κάθε ένα από αυτά περιέχει δύο μη δεσμευτικά ηλεκτρόνια. Στους τύπους Lewis, κάθε ζεύγος μη δεσμευτικών ηλεκτρονίων σε ένα άτομο οξυγόνου αντιπροσωπεύεται από ένα ζεύγος κουκκίδων:
Η τρισδιάστατη διάταξη των ατόμων σε μόρια οργανικών ενώσεων απεικονίζεται συχνά χρησιμοποιώντας μοντέλα ενός από δύο τύπους: μοντέλα σφαιρών και ράβδων ή ογκομετρικά μοντέλα. Στο σχ. Τα 17.21 και 17.22 δείχνουν εικόνες μοντέλου και των δύο τύπων για μόρια προπανίου και μεθανόλης, αντίστοιχα.
Κατά την καταγραφή της δομής των οργανικών μορίων, μερικές φορές διευρύνονται
Ρύζι. 17.21. Μοντέλα μορίου προπανίου: α - τροχιακό, β - από ράβδους και μπάλες, γ - ογκομετρικά.
Ρύζι. 17.22. Μοντέλα μορίων μεθανόλης: α - τροχιακό, β - από ράβδους και μπάλες, γ - ογκομετρικά.
μια εικόνα που δείχνει μια τρισδιάστατη διάταξη ατόμων (βλ. Εικ. 17.23, α) ή μόνο τη δισδιάστατη αναπαράστασή της (Εικ. 17.23, β). Το τελευταίο χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις που δεν λαμβάνεται υπόψη η γεωμετρική δομή του μορίου. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις αρκεί να αναφέρουμε μόνο τον συντακτικό τύπο της ένωσης (Εικ. 17.23, γ). Δεν παρέχει πληροφορίες για την τρισδιάστατη διάταξη των ατόμων σε ένα μόριο.
Ρύζι. 17.23. Διευρυμένοι και κοινοί δομικοί τύποι.
Σε οποιαδήποτε από τις μεγαλύτερες βιβλιοθήκες του κόσμου, τα δωμάτια και τα ράφια των βιβλίων φαίνονται να απλώνονται ατελείωτα. Ο αριθμός των τόμων στη Βιβλιοθήκη του Κογκρέσου των ΗΠΑ ανέρχεται σε δεκάδες εκατομμύρια. Καθένας από αυτούς παρουσιάζει διάφορες ιστορίες, λεπτομερείς αναλύσεις, ιστορικά ντοκουμέντα - όλα με τη δική τους άποψη. Αλλά όλα αυτά τα εκατομμύρια βιβλία, γραμμένα στα αγγλικά, αποτελούνται μόνο από μερικές δεκάδες χιλιάδες λέξεις, και κάθε λέξη αποτελείται από έναν συνδυασμό μόνο 26 γραμμάτων - από το Α έως το Ω [ συν κενά, σημεία στίξης και αριθμοί - περίπου. μετάφρ.].
Εν τω μεταξύ, όλοι ζούμε σε ένα περιβάλλον τεράστιας και εκπληκτικής ποικιλίας υλικών - συμπεριλαμβανομένου αυτού από το οποίο δημιουργούνται οι πολλοί τύποι βιολογικών δομών που αποτελούν το σώμα μας και όλα τα σώματα ζώων, φυτών και άλλων έμβιων όντων. Ο πλανήτης που κατοικούμε αποτελείται από κάθε λογής πέτρες, μερικές από τις οποίες είναι σκληρές και εύθραυστες, άλλες πλαστικές, με διαφορετικά χρώματα και υφές. Εκτός από το νερό, έχουμε αλκοόλ, οξέα, σάκχαρα και έλαια σε διάφορες μορφές. Το φαγητό στο φούρνο αναδίδει διαφορετικά αρώματα που αναπνέουμε έξω από τον αέρα. Συνθετικά υλικά, συμπεριλαμβανομένης μιας ποικιλίας πλαστικών, πρέπει να προστίθενται σε άλατα, κιμωλία και κράματα. Αλλά είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι ο τεράστιος πλούτος της Βιβλιοθήκης Υλικού αποτελείται από μια μικρή (αν και αρκετά διαφορετική) ποικιλία μορίων, τα οποία, με τη σειρά τους, αποτελούνται από μόλις εκατό άτομα - στοιχεία από H έως U και πέρα (από το υδρογόνο στο ουράνιο και όχι μόνο).
Η πολυπλοκότητα μιας γραπτής γλώσσας όπως η αγγλική ξεκινά με λέξεις και η πολυπλοκότητα των υλικών ξεκινά από τα μόρια. Με τον ίδιο τρόπο, οδηγίες για την κατασκευή ενός τεράστιου συνόλου βιολογικών μορφών μπορούν να κωδικοποιηθούν στο DNA - δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ - συγκεκριμένα, στους κλώνους των τριμοριακών συλλαβών του, που αποτελούνται από τέσσερα απλά μόρια, νουκλεοβάσεις. Ο λόγος για την πολυπλοκότητα βασίζεται σε ένα απλό μαθηματικό γεγονός - μια μεγάλη ποικιλία συνδυασμών μπορεί να προκύψει από έναν μικρό αριθμό συστατικών. Ένα συστατικό δεν είναι αρκετό. Από το γράμμα "a" μπορείτε να δημιουργήσετε μόνο δέκα διαφορετικές λέξεις, το μήκος των οποίων δεν θα υπερβαίνει τα δέκα γράμματα: "a", "aa", "aaa" και ούτω καθεξής. Αλλά 26 γράμματα μπορούν ήδη να κάνουν 26 2 λέξεις με δύο γράμματα, δηλαδή 676, και λέξεις με δέκα γράμματα - 141 167 095 653 376, πολύ περισσότερα από όσα απαιτείται για τη γλώσσα. Μόλις μερικές δεκάδες χιλιάδες λέξεις, επιλεγμένες από εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια πιθανές λέξεις, είναι αρκετές για να δημιουργήσουν όλη την αγγλική λογοτεχνία. Οι ίδιες αρχές της εκθετικής αύξησης του αριθμού των συνδυασμών επιτρέπουν στο περιβάλλον μας να σχηματιστεί από μόλις εκατό τύπους ατόμων, τα οποία μπορούν να συντεθούν σε έναν άπειρο αριθμό μορίων, που κυμαίνονται σε μέγεθος από μερικά άτομα έως εκατοντάδες και χιλιάδες.
Ξεκινώντας με λέξεις ή μόρια, μπορείτε να κινηθείτε προς δύο κατευθύνσεις για ερευνητικούς σκοπούς. Μπορεί κανείς να προσπαθήσει να καταλάβει πόσο πολύπλοκα αντικείμενα συναρμολογούνται από τα συστατικά τους: τι κρύβεται πίσω από την ύπαρξη ενός μόνο βιβλίου ή ενός συνόλου βιβλίων; Από πού προήλθε αυτή η κατηγορία υλικού ή υλικού; Ή, μπορείτε να κινηθείτε σε διαφορετική κατεύθυνση, προσδιορίζοντας την πηγή των γραμμάτων και των ατόμων, τα κύρια δομικά στοιχεία.
Ο σκοπός αυτού και των επόμενων άρθρων είναι να απαντηθεί η δεύτερη ερώτηση, από τα μόρια και μέχρι την προέλευσή τους. Φυσικά, είναι πολύ ενδιαφέρον να μελετήσουμε την τεράστια ποικιλία υλικών που βρίσκονται στη φύση, από τα οποία υπάρχουν τόσα όσα και τα βιβλία της Βιβλιοθήκης του Κογκρέσου. Αλλά, από την άλλη πλευρά, η προέλευση των μορίων και των ατόμων αποδεικνύεται ότι είναι ένα λιγότερο τεράστιο θέμα. Φυσικά, δεν μπορεί να ειπωθεί ότι η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα είναι απλή και ξεκάθαρη. Αποκαλύπτει πολλές εκπληκτικές και απροσδόκητες λεπτομέρειες της ατομικής, πυρηνικής και σωματιδιακής (ή υψηλής ενέργειας) φυσικής. Όπως και στην περίπτωση με την πηγή των γραμμάτων του αλφαβήτου, αποδεικνύονται μεγαλύτερα και πιο ενδιαφέροντα από ό,τι θα μπορούσε να φανταστεί κανείς αρχικά. Οδηγεί σε ανακαλύψεις που ξεπερνούν τις απλές ιδιότητες των υλικών. Οδηγεί τη φυσική στην κατανόηση του φωτός, του ήλιου και άλλων άστρων, της ιστορίας της γης, του χώρου και του χρόνου και του σύμπαντος μέσω του οποίου ταξιδεύουν η γη και ο ήλιος.
Αλλά πριν από αυτό, πρέπει να εξετάσετε μερικές ακόμη ερωτήσεις. Πώς ξέρουμε ότι όλα τα υλικά αποτελούνται από μόρια; Ιστορικά, η απάντηση σε αυτό το ερώτημα έχει ληφθεί μέσω πολύπλοκων λογικών αλυσίδων και μιας τεράστιας ποικιλίας επιστημονικών πειραμάτων. Μέχρι πρόσφατα, η ύπαρξη μορίων μπορούσε μόνο να μαντέψει, όχι άμεσα, αλλά μάλλον πειστικά, με βάση πονηρές επιστημονικές αναλύσεις και χημικά πειράματα. Σήμερα, μπορεί να δοθεί μια πιο ξεκάθαρη απάντηση - γιατί σήμερα μπορούμε να «δούμε» μόρια. Τα βλέπουμε μέσα από μικροσκόπια, αν και όχι τόσο κλασικούς τύπους τους που μπορείτε να τα βάλετε σε ένα τραπέζι και να τα κοιτάξετε μέσα από προσοφθάλμιους φακούς. Αυτά είναι μικροσκόπια ατομικής δύναμης και η εμφάνιση τους μοιάζει περισσότερο με ανάγνωση γραφής Μπράιγ. αλλά εκπληρώνουν το καθήκον τους. Επιτρέπουν στους επιστήμονες να φωτογραφίζουν υλικά, να εξετάζουν τη δομή τους λεπτομερώς, επιβεβαιώνοντας προηγούμενες προβλέψεις που έγιναν γι' αυτό. Έλυσαν ακόμη και προηγούμενους γρίφους σχετικά με συγκεκριμένα μόρια. Οι νέες μέθοδοι επιτρέπουν τον άμεσο έλεγχο όλων των έμμεσων ορισμάτων. Όχι ότι τα αμφιβάλλουμε, αφού έχουν χρησιμοποιηθεί τόσο συχνά στην πρόβλεψη των αποτελεσμάτων των χημικών αντιδράσεων και στο σχεδιασμό και τη δημιουργία νέων υλικών! Και όμως, είναι ωραίο να γνωρίζουμε ότι αυτή η συζήτηση δεν είναι αφηρημένη: μόρια υπάρχουν και με τη σύγχρονη τεχνολογία μπορούμε να τα ανιχνεύσουμε άμεσα.
Στο επόμενο άρθρο θα δούμε τα άτομα, από τι αποτελούνται και πώς δημιουργούνται τα μόρια από αυτά.
Σελίδα 1
Οι μοριακές δομές που βασίζονται σε λιπαρά οξέα, τα παράγωγά τους, βιταμίνες, πορφυρίνες, πεπτίδια είναι ικανές να μιμούνται βιολογικές διεργασίες που συμβαίνουν στη φύση, χρησιμοποιούνται στη βιοφυσική, βιοχημική έρευνα και μελετώνται ως πιθανά φάρμακα.
Η μοριακή δομή ενός στερεού καθορίζεται από την ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων, που οδηγεί σε δονήσεις τους γύρω από σταθερά κέντρα, που συμπίπτουν με τις θέσεις ισορροπίας των μορίων υπό τη δράση των δυναμικών πεδίων που σχηματίζονται από το σύστημα των μορίων. Αυτές οι θέσεις ισορροπίας που είναι σταθερές στο διάστημα είναι σταθερές. Μπορούν να σχηματίσουν ένα κανονικό, περιοδικό σύστημα, το οποίο αντιστοιχεί στο κρυσταλλικό πλέγμα που είναι εγγενές στη μικροδομή των κρυσταλλικών στερεών ή τυχαία διασκορπισμένο στην περίπτωση της άμορφης κατάστασής τους. Στην τελευταία περίπτωση, λόγω της απώλειας της σταθερότητας, υπάρχει μια τάση για μετάβαση της άμορφης δομής στην κρυσταλλική. Ωστόσο, η διάρκεια αυτής της μετάβασης αποδεικνύεται τόσο σημαντική που στην πραγματικότητα παρατηρούνται τόσο κρυσταλλικές όσο και άμορφες καταστάσεις στερεών. Οι χαρακτηριστικές ιδιότητες της μοριακής (ατομικής) δομής ενός στερεού διατηρούνται σε όλο το μήκος του, γεγονός που μας επιτρέπει να μιλάμε για την παρουσία τόσο μικρής όσο και μεγάλης εμβέλειας τάξεων σε αυτή τη δομή.
Μοριακή δομή επιφανειακών στρωμάτων.
| Εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης από το βαθμό συμπίεσης της μοριακής δομής της οργανικής ύλης. |
Η μοριακή δομή με ευκόλως κινούμενα ηλεκτρόνια ονομάζεται μεταλλική, αφού από αυτήν εξαρτώνται οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των μετάλλων. Η κινητικότητα των ηλεκτρονίων καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την απόσταση μεταξύ των ατόμων.
Η μοριακή δομή επίσης απουσιάζει κατά τον σχηματισμό ενός στερεού στην περίπτωση ομοιοπολικών μη εντοπισμένων δεσμών. Εκτός από τις δυνάμεις σθένους, πιο αδύναμες, οι λεγόμενες δυνάμεις πόλωσης παίζουν ουσιαστικό ρόλο στην αλληλεπίδραση ατόμων και μορίων.
Η μοριακή δομή επίσης απουσιάζει κατά τον σχηματισμό ενός στερεού στην περίπτωση ομοιοπολικών μη εντοπισμένων δεσμών. Εκτός από τις δυνάμεις σθένους, στην αλληλεπίδραση ατόμων και μορίων, ουσιαστικό ρόλο παίζουν οι πιο αδύναμες, οι λεγόμενες δυνάμεις πόλωσης.
Η μοριακή δομή τέτοιων συμπλοκών πολυηλεκτρολύτη άλατος μπορεί να είναι διαφορετική για το ίδιο ζεύγος συστατικών, ανάλογα με τις συνθήκες υπό τις οποίες σχηματίζεται το σύμπλοκο.
Η μοριακή δομή που φαίνεται στο Σχ. 6, είναι σύμφωνη με τις ιδιότητες της ουσίας. Η έντονη γραμμή στα 1541 cm-1, η οποία εμφανίζεται λόγω του σχηματισμού διπλών δεσμών συντονισμού, βρίσκεται εξαιρετικά υψηλή για το n-δεσμευμένο συζευγμένο σύστημα.
Μοριακή δομή που αποτελείται από στρώματα μορίων συσκευασμένα με τη μέθοδο παρκέ (παρκέ). Οι στιβάδες είναι παράλληλες με το επίπεδο (100) και ο μακρύς άξονας του μορίου είναι κάθετος σε αυτό το επίπεδο.
