Az anyag molekuláris szerkezete. Szerves kémia
Minden test, ami körülvesz minket, atomokból áll. Az atomok pedig molekulává állnak össze. A molekulaszerkezet különbségéből fakad, hogy tulajdonságaik és paramétereik alapján egymástól eltérő anyagokról beszélhetünk. A molekulák és az atomok mindig dinamikus állapotban vannak. Mozgás közben továbbra sem szóródnak szét különböző irányokba, hanem egy bizonyos struktúrában tartják őket, amit annak köszönhetünk, hogy a minket körülvevő világban ilyen sokféle anyag létezik. Mik ezek a részecskék és mik a tulajdonságaik?
Általános fogalmak
Ha a kvantummechanika elméletéből indulunk ki, akkor a molekula nem atomokból áll, hanem azok atommagjaiból és elektronjaiból, amelyek folyamatosan kölcsönhatásba lépnek egymással.
Egyes anyagok esetében a molekula a legkisebb részecske, amelynek összetétele és Kémiai tulajdonságok maga az anyag. Tehát a molekulák tulajdonságait a kémia szempontjából ez és összetétele határozza meg. De csak olyan anyagokra, amelyek molekuláris szerkezet a szabály működik: a vegyi anyag és a molekulák ugyanazok. Egyes polimerek, például az etilén és a polietilén összetétele nem felel meg a molekulárisnak.
Ismeretes, hogy a molekulák tulajdonságait nemcsak az atomok száma, típusa határozza meg, hanem a konfiguráció, a kapcsolódási sorrend is. A molekula egy összetett építészeti struktúra, ahol minden elem a helyén áll, és megvannak a maga sajátos szomszédai. Az atomszerkezet többé-kevésbé merev lehet. Minden atom az egyensúlyi helyzete körül rezeg.
Konfiguráció és paraméterek
Előfordul, hogy a molekula egyes részei más részekhez képest forognak. Tehát a termikus mozgás során egy szabad molekula bizarr formákat (konfigurációkat) vesz fel.
A molekulák tulajdonságait alapvetően az atomok közötti kötés (annak típusa) és magának a molekulának a felépítése (szerkezete, alakja) határozza meg. Így mindenekelőtt az általános kémiai elmélet a kémiai kötéseket veszi figyelembe, és az atomok tulajdonságain alapul.
Erősen kifejezett polaritás esetén a molekulák tulajdonságai nehezen írhatók le két-három állandó korrelációval, ami kiválóan alkalmas a nem poláris molekulákra. Ezért egy további paramétert vezettünk be dipólusmomentummal. De ez a módszer nem mindig sikeres, mivel a poláris molekulák egyéni jellemzőkkel rendelkeznek. Olyan paramétereket is javasoltak, amelyek figyelembe veszik a kvantumhatásokat, amelyek fontosak alacsony hőmérsékleten.
Mit tudunk a Földön legnagyobb mennyiségben előforduló anyag molekulájáról?
Bolygónk összes anyaga közül a víz a legbőségesebb. Ő a szó szoros értelmében életet biztosít mindennek a Földön. Enélkül csak a vírusok nélkülözhetik, összetételükben a többi élő szerkezetben többnyire víz van. A vízmolekulának milyen, csak rá jellemző tulajdonságai hasznosulnak az ember gazdasági életében és a Föld élő természetében?
Végül is ez egy igazán egyedi anyag! Egyetlen más anyag sem dicsekedhet a vízben rejlő tulajdonságokkal.
A természetben a víz a fő oldószer. Az élő szervezetekben fellépő összes reakció, így vagy úgy, a vízi környezetben megy végbe. Vagyis az anyagok oldott állapotban lépnek reakcióba.
A víz hőkapacitása kiváló, de hővezető képessége alacsony. Ezen tulajdonságoknak köszönhetően hőszállítóként tudjuk használni. Ez az elv számos organizmus hűtési mechanizmusában szerepel. A nukleáris energetikában a vízmolekula tulajdonságai miatt ezt az anyagot hőhordozóként használták fel. Amellett, hogy más anyagok reaktív közege lehet, a víz maga is reakcióba léphet: fotolízis, hidratáció és mások.
Természetes tiszta víz szagtalan, színtelen és íztelen folyadék. De 2 méternél nagyobb rétegvastagságnál a szín kékessé válik.
Az egész vízmolekula egy dipólus (két ellentétes pólus). Ennek az anyagnak a szokatlan tulajdonságait elsősorban a dipólusszerkezet határozza meg. A vízmolekula diamágneses.
Az olvadékvíznek van még egy érdekes tulajdonsága: molekulája felveszi az aranymetszés szerkezetét, az anyag szerkezete pedig az aranymetszés arányait. A vízmolekulák számos tulajdonságát a gázfázisban lévő csíkos spektrumok abszorpciójának és emissziójának elemzésével állapították meg.
Természettudomány és molekuláris tulajdonságok
A kémiai anyagok kivételével minden anyag rendelkezik a szerkezetében lévő molekulák fizikai tulajdonságaival.
V fizikai tudomány a molekulák fogalmát a szilárd anyagok, folyadékok és gázok tulajdonságainak magyarázatára használják. Minden anyag diffúziós képességét, viszkozitását, hővezető képességét és egyéb tulajdonságait a molekulák mobilitása határozza meg. Amikor Jean Perrin francia fizikus a Brown-mozgást tanulmányozta, kísérletileg bebizonyította a molekulák létezését. Minden élő szervezet létezik a szerkezet finoman kiegyensúlyozott belső kölcsönhatásának köszönhetően. Az anyagok minden kémiai és fizikai tulajdonsága alapvető fontosságú a természettudomány számára. A fizika, a kémia, a biológia és a molekuláris fizika fejlődése olyan tudományt hozott létre, mint a molekuláris biológia, amely az élet alapvető jelenségeit vizsgálja.
A statisztikus termodinamika segítségével a molekulák molekulaspektroszkópiai módszerekkel meghatározott fizikai tulajdonságai a fizikai kémiában meghatározzák a kémiai egyensúlyok kiszámításához szükséges anyagokat és azok létrejöttének sebességét.
Mi a különbség az atomok és molekulák tulajdonságai között?
Először is, az atomok nem szabad állapotban fordulnak elő.
A molekulák optikai spektruma gazdagabb. Ennek oka a rendszer kisebb szimmetriája és az atommagok új forgásának és rezgésének lehetőségének a megjelenése. Egy molekula összenergiája három energia összege, amelyek a komponensek nagyságrendjében különböznek egymástól:
- elektronikus héj (optikai vagy ultraibolya sugárzás);
- magok rezgései (a spektrum infravörös része);
- a molekula egészének forgása (rádiófrekvencia-tartomány).
Az atomok jellegzetes és molekulákat bocsátanak ki - csíkosak, amelyek sok egymáshoz közeli vonalból állnak.
Spektrális elemzés
A molekulák optikai, elektromos, mágneses és egyéb tulajdonságait is meghatározza a kapcsolat.A molekulák állapotára és a közöttük való valószínű átmenetre vonatkozó adatok molekulaspektrumot mutatnak.
A molekulákban lévő (elektronikus) átmenetek megmutatják a kémiai kötéseket és az elektronhéjak szerkezetét. A több kötést tartalmazó spektrumok hosszú hullámhosszú abszorpciós sávjai a látható tartományba esnek. Ha egy anyag ilyen molekulákból épül fel, akkor jellegzetes színe van. Ez minden
Ugyanazon anyag molekuláinak tulajdonságai az aggregáció minden állapotában azonosak. Ez azt jelenti, hogy ugyanazon anyagok esetében a folyékony, gáznemű anyagok molekuláinak tulajdonságai nem különböznek a szilárd anyagok tulajdonságaitól. Egy anyag molekulájának mindig ugyanaz a szerkezete, függetlenül attól aggregált állapot maga az anyag.
Elektromos jellemzők
Ahogyan az anyag viselkedik benne elektromos mező, eldöntött elektromos jellemzők molekulák: polarizálhatóság és állandó dipólusmomentum.
A dipólusmomentum egy molekula elektromos aszimmetriája. Azoknak a molekuláknak, amelyeknek szimmetriaközéppontja van, mint a H 2, nincs állandó dipólusmomentumuk. A molekula elektronhéjának azon képessége, hogy elektromos tér hatására mozogjon, aminek következtében benne indukált dipólusmomentum képződik, a polarizálhatóság. A polarizálhatóság és a dipólusmomentum értékének meghatározásához meg kell mérni a dielektromos állandót.
A fényhullámok viselkedését váltakozó elektromos térben az anyag optikai tulajdonságai jellemzik, amelyeket ezen anyag molekulájának polarizálhatósága határoz meg. A polarizálhatósághoz közvetlenül kapcsolódnak: szórás, fénytörés, optikai aktivitás és a molekulaoptika egyéb jelenségei.
Gyakran hallani a kérdést: "A molekulákon kívül mitől függenek egy anyag tulajdonságai?" A válasz nagyon egyszerű.
Az anyagok tulajdonságait az izometrián és a kristályszerkezeten kívül a hőmérséklet határozza meg környezet, maga az anyag, nyomás, szennyeződések jelenléte.
A molekulák kémiája
Egy olyan tudomány kialakulása előtt, mint kvantummechanika A molekulákban lévő kémiai kötések természete megfejtetlen rejtély volt. A klasszikus fizika nem tudta megmagyarázni a vegyértékkötések irányát és telítettségét. A kémiai kötésről szóló elméleti alapinformációk megalkotása (1927) után, a legegyszerűbb H2-molekula példájával, az elmélet és a számítási módszerek fokozatosan javulni kezdtek. Például a molekuláris pályák módszerének, a kvantumkémiának elterjedt alkalmazása alapján lehetővé vált az atomközi távolságok, a molekulák és a kémiai kötések energiájának, az elektronsűrűség eloszlásának és más olyan adatok kiszámítása, amelyek teljesen egybeestek a kísérleti adatokkal. azok.
Azonos összetételű, de eltérő anyagok kémiai szerkezeteés a különböző tulajdonságokat szerkezeti izomereknek nevezzük. Különböző szerkezeti képleteik vannak, de ugyanazok a molekulaképleteik.
Ismert Különféle típusok szerkezeti izoméria. A különbségek a szénváz szerkezetében, a funkciós csoport helyzetében vagy a többszörös kötés helyzetében rejlenek. Emellett még mindig léteznek térbeli izomerek, amelyekben egy anyagmolekula tulajdonságait azonos összetétel és kémiai szerkezet jellemzi. Ezért mind a szerkezeti, mind a molekuláris képletek nekik ugyanaz van. A különbségek a molekula térbeli alakjában rejlenek. A különböző térbeli izomerek ábrázolásához speciális képleteket használnak.
Vannak homológoknak nevezett vegyületek. Szerkezetükben és tulajdonságaiban hasonlóak, de összetételükben egy vagy több CH2 csoport különbözik. Minden hasonló szerkezetű és tulajdonságú anyagot homológ sorozatokba vonnak össze. Egy homológ tulajdonságainak tanulmányozása után bármelyik másik homológról is okoskodhatunk. A homológok gyűjteménye egy homológ sorozat.
Amikor egy anyag szerkezete átalakul, a molekulák kémiai tulajdonságai drámaian megváltoznak. Még a legegyszerűbb vegyületek is példaként szolgálnak: a metán akár egyetlen oxigénatommal is egyesülve mérgező folyadékká válik, amelyet metanolnak neveznek (metil-alkohol - CH3OH). Ennek megfelelően kémiai komplementaritása és az élő szervezetekre gyakorolt hatása is eltérővé válik. Hasonló, de bonyolultabb változások következnek be a biomolekulák szerkezetének módosításakor.
A kémiai molekuláris tulajdonságok erősen függnek a molekulák szerkezetétől és tulajdonságaitól: attól energiakapcsolatok benne és magának a molekulának a geometriája. Ez különösen a biológiailag aktív vegyületeknél működik. Azt, hogy melyik versengő reakció érvényesül, gyakran csak a térbeli tényezők határozzák meg, amelyek viszont a kiindulási molekuláktól (konfigurációjuktól) függenek. Az egyik "kényelmetlen" konfigurációjú molekula egyáltalán nem reagál, míg egy másik ugyanolyan kémiai összetétel, de eltérő geometriájú, azonnal reagálni tud a reakcióra.
A növekedés és szaporodás során megfigyelt biológiai folyamatok nagy része a reakciótermékek és a kiindulási anyagok közötti geometriai összefüggésekhez kapcsolódik. Tájékoztatásul: jelentős számú új gyógyszer hatása minden olyan vegyület hasonló molekulaszerkezetén alapul, amely biológiai szempontból káros az emberi szervezetre. A gyógyszer átveszi a káros molekula helyét, és megnehezíti annak működését.
A kémiai képletek segítségével a különböző anyagok molekuláinak összetételét és tulajdonságait fejezik ki. A molekulatömeg alapján megállapítjuk az atomarányt, és empirikus képletet készítünk.
Geometria
A molekula geometriai szerkezetének meghatározása az egyensúlyi elrendezés figyelembevételével történik atommagok... Az atomok kölcsönhatási energiája az atommagok közötti távolságtól függ. Nagyon nagy távolságokon ez az energia nulla. Amikor az atomok összeérnek, kémiai kötés kezd kialakulni. Ekkor az atomok erősen vonzódnak egymáshoz.
Ha gyenge vonzás figyelhető meg, akkor nem szükséges kémiai kötés kialakítása. Ha az atomok közelebb kezdenek közeledni, akkor az atommagok között elektrosztatikus taszító erők kezdenek hatni. Az atomok erős megközelítésének akadálya belső elektronikus héjaik összeférhetetlensége.
Méretek (szerkesztés)
Lehetetlen szabad szemmel látni a molekulákat. Olyan kicsik, hogy még egy 1000-szeres nagyítású mikroszkóp sem segít meglátni őket. A biológusok 0,001 mm méretű baktériumokat figyelnek meg. De a molekulák százszor és ezerszer kisebbek náluk.
Ma egy bizonyos anyag molekuláinak szerkezetét diffrakciós módszerekkel határozzák meg: neutrondiffrakció, röntgenszerkezeti elemzés. Létezik rezgésspektroszkópia és elektronparamágneses módszer is. A módszer megválasztása az anyag típusától és állapotától függ.
Egy molekula mérete feltételes érték, ha az elektronhéjat is figyelembe vesszük. A pont az elektronok távolságában van az atommagoktól. Minél nagyobbak, annál kevésbé valószínű, hogy megtalálják a molekula elektronjait. A gyakorlatban a molekulák mérete az egyensúlyi távolság figyelembevételével határozható meg. Ez az az intervallum, amelyen belül maguk a molekulák közeledhetnek egymáshoz molekuláris kristályban és folyadékban.
A nagy távolságok vonzzák a molekulákat, a kicsik pedig éppen ellenkezőleg, taszítják. Ezért a molekuláris kristályok röntgendiffrakciós elemzése segít a molekula méretének meghatározásában. A gázok diffúziós együtthatója, hővezető képessége és viszkozitása, valamint kondenzált állapotban lévő anyag sűrűsége segítségével meghatározható a molekulaméretek nagyságrendje.
Molekulaszerkezet, i.e. A kémiai összetétel és az atomok molekulává való kombinálásának módja nem határozza meg egyértelműen a viselkedést polimer anyag makromolekulákból épül fel. A polimerek tulajdonságai, különösen kristályos fázisú állapotban, függenek szupramolekuláris szerkezetüktől, pl. a makromolekulák térben elválasztott elemekbe való becsomagolásának módja, az ilyen elemek mérete és alakja, valamint relatív térbeli helyzetük. Más szóval, a szupramolekuláris szerkezet alatt nagyszámú makromolekula komplex aggregátumát értjük, amely intermolekuláris erők hatására alakul ki.
A polimerekre jellemző a szilárd és folyékony halmazállapot, amelyet a részecskék oszcilláló és forgó mozgása, valamint a részecskék közötti kis távolságok jellemeznek. A polimerek nem léteznek gáz halmazállapotban, mert a makromolekulák nagy távolságra történő elmozdításához a láncmakromolekulák erős intermolekuláris kölcsönhatásait kell leküzdeni, amelyekhez a polimerláncban lévő kémiai kötések energiáival összemérhető energiák szükségesek, pl. a polimer lebomlása következik be.
A fázisállapotot a molekulák elrendezésének sorrendje határozza meg. Kétféle fázisállapot létezik: amorf és kristályos. Az amorf fázisállapotot a 10-15Ǻ távolságon belüli kis hatótávolságú rend jellemzi. A termodinamikailag stabil állapot izotróp, bár az amorf polimerekben lokálisan rendezett, fluktuációs jellegű képződmények is előfordulhatnak. A polimerek amorf állapotának szerkezetének egyik első modellje a Kargin-féle „batch” modell. Feltételezték, hogy a hosszú láncú molekulák amorf polimerekben történő optimális becsomagolásához intermolekuláris kötegek (MMP-k) formájában rendezett régiók vannak, amelyeket párhuzamosan orientált szomszédos makromolekulák alkotnak, megnyúlt megnyúlt konformációval. Ebből következően az amorf állapotú lineáris flexibilis láncú polimerek fő szerkezeti eleme nem maga a makromolekula, hanem az MMP vagy más szupramolekuláris szerkezet, amelyben az egyes makromolekulák elvesztik egyéniségüket.
A kristályos fázis állapotát nagy hatótávolságú háromdimenziós rend jellemzi 1000 Ǻ távolságban. Ezt az állapotot a tulajdonságok anizotrópiája, a tulajdonságok ugrásai jellemzik a felületen. A kristályos polimerekben szinte mindig van egy töredéke az amorf fázisnak, gyakran előfordulnak hibák és elmozdulások. A polimer kristályok kinyerésének nehézségei és a makromolekulák kristályos állapotának sajátosságai számos szupramolekuláris szerkezettel járnak, amelyek még amorf állapotban is léteznek.
Az amorf és kristályos polimerek mellett ismert a polimerek mezofázisú köztes folyadékkristályos állapota is. Egyesek állandó stabil anizotrópiája jellemzi fizikai tulajdonságok... A közönséges izotróp folyadékokban átmeneti "indukált" anizotrópia jelenhet meg elektromos tér, mechanikai hatások stb. hatására. Ezzel szemben a polimerekben a makromolekulák alacsony mobilitása és a hosszú relaxációs idő miatt az "indukált" anizotrópia továbbra is fennáll. végtelenül hosszú idő; fenntartható.
Amorf polimerek szupramolekuláris szerkezete
A szupramolekuláris struktúrák képződési folyamatainak és tipikus formáinak legteljesebb megértése akkor érhető el, ha a szerkezetképződés teljes folyamatát nyomon követjük. A szerkezetek kialakításának két módja van. Ha a makromolekulák kellően rugalmasak, akkor gömb alakú részecskéket (tekercseket), úgynevezett gömböcskéket tudnak feltekerni.
A láncmakromolekula egyes szakaszainak kölcsönös elrendezése egy ilyen gömböcskén belül általában véletlenszerű, és szinte minden gömbölyűvé átalakult polimer amorf állapotban van. Például polietilén, poliamidok.
Nagyon híg oldatokban a polimerek túlnyomó többsége ilyen tekercsek formájában van. A gömb alakú polimerek előállításának legáltalánosabb módszere az oldószerek elpárologtatása az oldatokból a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten. Számos fehérje makromolekulái szintén globuláris állapotban vannak. A gömb alakú szerkezet csak a polimer anyag oldott állapotú átvitelénél előnyös, a biológiai folyamatokhoz nagyon fontos. Minden más esetben a makromolekula lineáris láncszerkezetéhez kapcsolódó alapvető tulajdonságok elvesztését jelenti.
A gömb alakú polimerek bonyolultabb szerkezetek kialakítására való képessége nagyon korlátozott. Ha a polimer monodiszperz, pl. minden makromolekulája egyforma, ekkor a gömböcskék tömött gömbökből álló szerkezetet képeznek. Így jönnek létre a globuláris fehérjék egykristályai. Például a dohánymozaik vírus.
A gömböcskék az intramolekuláris kölcsönhatás erejének az intermolekuláris kölcsönhatás erőihez képesti többlete eredményeként jönnek létre.
Ezen túlmenően, ahhoz, hogy a megnyúlt alakból gömb alakúra váljon, a molekulaláncnak elég rugalmasnak kell lennie ahhoz, hogy össze tudjon hajtani.
Rizs. 1. Szuperragasztó molekula
Ha a polimer nagyon rugalmas állapotban van, akkor az egyes gömb alakú részecskék egy részecskévé egyesülhetnek nagyobb méretű... Gömbök jelennek meg, amelyek több (tíz, száz, ezer) részecskét tartalmaznak. Ez a folyamat vagy a rendszer rétegződésével, vagy a kialakult nagy gömböcskék stabilizálódásával, felületük szennyeződésekkel való borítása vagy lineáris szerkezetekké való átrendeződése következtében zárul. Hasonló folyamatok mennek végbe a polimerizáció során. A polimerizáció körülményeitől függően bizonyos konformációk termodinamikailag kedvezőbbek lehetnek. Ezért ugyanabból a polimerből sok különböző fizikai szerkezetű polimert lehet előállítani, amelyek szélső típusai gömb alakúak és rostosak lesznek.
Ismeretes, hogy a polimer anyagok különálló, kibontott lineáris láncai vannak. A kibontott makromolekuláris láncok lineáris aggregátumokat - lánckötegeket - képeznek. Ezekre a képződményekre jellemző, hogy hosszúságuk jelentősen meghaladja az egyes láncok hosszát. Ezen csomagok mindegyike több tíz, száz egyedi makromolekulát tartalmaz. Ezek a lánckötegek független szerkezeti elemek, amelyekből bonyolultabb szerkezetek épülnek fel.
A sorozatgyártású modell a közelmúltban kritikus felülvizsgálaton esett át. Weinstein, aki egy amorf polimeren vizsgálta a röntgendiffrakciót, arra a következtetésre jutott, hogy egy ilyen polimer szerkezete nem lehet tétel. A polimermolekulák párhuzamos szakaszainak hossza véleménye szerint nem nagy, és megközelítőleg megegyezik a szélességükkel. Ezek a területek fokozatosan egyesülnek egymásba, bennük és a köztük lévő átmeneti zónákban molekulák "ferde" kontaktusai jönnek létre. Ezenkívül a burst modell ellentmond a nagy rugalmasság kinetikai elméletének főbb rendelkezéseinek, amit a kísérlet jól igazol.
Yeh egy másik modellt javasolt egy amorf polimer szupramolekuláris szerveződésére. Azt javasolta amorf állapot a polimereket rendezett régiók jelenléte jellemzi - domainek(„szemcsék”), amelyeket hajtogatott konformációjú makromolekulák alkotnak.
A tartományok hurkon keresztül kapcsolódnak egymáshoz. Az interdomain régiók véletlenszerűen elhelyezkedő láncok egységeiből állnak, és tartalmazzák az átmenő láncokat és a láncok szabad végeit is, amelyek nem szerepelnek a tartományokban.
A tartományoknak három lehetséges típusa van: hajtogatott (hullámos), kéveszerű (micellás) és gömb alakú. Az utolsó két típus jó összhangban van a batch és a globuláris elmélettel. Ez felfedi a tartományelmélet mint általánosabb és egységesítő méltóságát.
A polimer olvadékokban a domének megléte fluktuációs jellegű. A domének olyan intermolekuláris kötések halmaza, amelyek a hőmozgás hatására keletkeznek és megsemmisülnek. Minél magasabb a hőmérséklet, annál rövidebb a tartomány élettartama és annál kisebb a mérete. A láncok rugalmasságának, szabályosságának csökkenésével csökken a doménképzési hajlam.
A merev, szabálytalan láncú polimer olvadékokban nem mindig lehet doméneket kimutatni. Úgy gondolják, hogy ilyen körülmények között nem képződnek, és a láncok statisztikai gubancok-gömbök formájában vannak. A golyók áthatolnak egymáson, közvetlen érintkezést képezve.
Jeh-vel, Arisakovval, Bakejevvel és Kabanovval ellentétben Yeh modelljét használva úgy gondolják, hogy egy amorf polimer sűrűn összetömörített rostokból áll. Minden fibrill összehajtott doménekből áll, amelyeket transzmissziós láncok kötnek össze. A kísérleti adatok azonban nem teszik lehetővé, hogy a fibrillumot az amorf polimer szupramolekuláris szerveződésének fő formájának tekintsük.
Egy klasztermodellt is javasoltak az amorf polimerek szupramolekuláris szerveződésének magyarázatára.
A klaszterek olyan régiók, amelyekben a molekulák vagy részecskék sűrűbb tömöttsége, valamint a fő, lazább és rendezetlenebb anyagtömeghez képest rendezettebb elrendezése van. Ezért a klaszter sűrűsége valamivel nagyobb, mint a polimer egészének átlagos sűrűsége. De a kristályokhoz képest a klaszterek kevésbé rendezettek és kevésbé sűrűn tömörült régiók. Ebben a tekintetben kétféle klaszter létezik:
1. Kristályos - klaszterek, amelyekben bizonyos feltételek mellett a makromolekulák rendezettebb elrendezése érhető el. Képesek kristályosodni.
2. Antikristályos- olyan klaszterek, amelyek alapvetően nem kristályosodnak ki.
Az amorf polimer antikristályos klaszterek gyűjteménye, amelyeket kevésbé rendezett és lazább régiók vesznek körül. Következésképpen az amorf polimerek sűrűsége egyenesen arányos a klaszterek térfogatrészével. Ez egybeesik egy olyan kísérleti ténnyel, mint az amorf polimerek sűrűségének növekedése lágyításkor. Az izzítás az antikristályos klaszterek számának növekedéséhez, ezen képződmények átlagos méretének növekedéséhez és a polimer láncok rendezettebb elrendezéséhez vezet bennük.
Az amorf polimerek polimerláncai véletlenszerű orientációjúak, míg a kristályos polimerek erősen rendezett kristályszerkezetet alkotnak egy amorf mátrixban (2. ábra). A félkristályos polimerek kifejezést a kristályos és amorf régiókat egyaránt tartalmazó polimerekre használják.
Rizs. 2. Amorf polimerek
A klasztermodell sajátossága, hogy hiányzik belőle a klaszteren belüli láncok elrendezésének szabályozott jellege (A polimer kémiai szerkezete, molekulatömege határozza meg). Egy klaszter állhat hajtogatott konformációjú makromolekulákból és olyan polimer láncok kibontott elemeiből, amelyek nem alkotnak redőket. Egy másik jellemző a klaszterek fluktuációs jellege.
Az amorf polimerekben lévő makromolekulák fentebb leírt szerveződései csak a legegyszerűbb reprezentációi a makromolekulák rendeződési formáinak. Fontosak abban, hogy a makromolekulák szerveződésének első szakaszát jelentik, amelyek nélkül a kristályos polimerek különféle szupramolekuláris szerkezetei lehetetlenek.
Kristályos polimerek szupramolekuláris szerkezete
A polimerek fázisállapota vagy a polimerek kristályosodási képessége számos körülménytől függ: hőmérséklet és kristályosodási sebesség, hőtörténet, idegen anyagok jelenléte. A kristályosodás körülményeitől függően a kristályszerkezetek számos morfológiai formája nyerhető még ugyanazon polimerre is. A kristályos polimerek szupramolekuláris szerkezeteinek sokfélesége a polimerek rugalmasságának és hosszú láncú szerkezetének köszönhető.
A polimerek kristályos állapotának egyik jellemzője a jelentős mennyiségű rendellenesség jelenléte bennük - az „amorf fázis frakciója”. Ezért különös figyelmet fordítanak a kristályosodási folyamatokra.
Ha egy híg polimer oldatból eltávolítjuk az oldószert, akkor kellően erős intermolekuláris kölcsönhatás esetén makromolekulák asszociálódhatnak a veremben. A csomag egy elsődleges szupramolekuláris szerkezet.
Ha egy csomagot szabályos rugalmas makromolekulák alkotnak, akkor megfelelő termodinamikai körülmények között kristályosodás megy végbe benne, azaz a makromolekulák úgy rendeződnek el, hogy térhálót képezzenek. A kristályosított elemnek van egy kristályos anyagra jellemző határfelülete és felületi feszültsége. Az ilyen vékony és hosszú képződményekben azonban jelentősnek kell lennie a felesleges felületi energia megjelenésének.
Ennek eredményeként a kristálycsomag kisebb felületi sűrűségű szalagokká hajtogathatóvá válik. A szalag energetikailag kedvezőbb forma. A csomag szalagokká való hajtogatása spontán módon történik az F szabadenergia csökkenésének irányában<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.
A másodlagos struktúrák kialakulása a kristályos polimerben nem áll meg a szalagok képződésével. A felületi feszültség csökkentésének követelménye a "szalagok" lapos formációkba való hajtogatásához vezet, azaz pl. lamella lemezekbe. Az ilyen lemezeket az egyes "szalagok" lapos oldalukkal való ütköztetése képezi, ami a felület további csökkenéséhez vezet. A komplex láncokból álló lineáris polimerekre jellemzőek a lamellás kristályok, amelyek alacsony kristályosodási sebesség mellett egészen tökéletesek (polietilén egykristályok).
Rizs. 3. A csíkok a polietilén kristályok növekedését mutatják
Az egykristályok képződésének lamellás mechanizmusa mellett létezik egy másik típusú szerkezet is, amelyet fibrilláris elemek jelenléte jellemez.
A legfontosabb gyakorlati példa az olyan kristályok előállítására, amelyekben a láncok nagyrészt megtartják a kiegyenesedett konformációkat, az olvadék lehűtése utáni kristályosodás, egyidejűleg nagy feszültségek alkalmazásával. Az így létrejövő szerkezeti formákat, amelyeket "shish-kebabnak" neveznek, egy hosszú fibrilláris központi törzs jellemzi. Ezen a rúdon a lamellák keresztirányban nőnek, amelyben a láncok összehajtott konformációban vannak.
Az egykristályok képződésének lamellás mechanizmusával együtt számos magasabb szupramolekuláris struktúra kialakulásának egy másik típusa is létezik. A lamellás típusnál a legegyszerűbb szerkezeti elem egy szalaglemez, a fibrilláris típusnál pedig nincs ilyen hajtogatás, és a csomagok a rost mentén helyezkednek el. Egy és ugyanaz a polimer lamelláris és fibrilláris típusban is kristályosodhat.
Az egykristályok képződésének képe a kristályosodási folyamat korlátozó képe. Ez korlátlan lehetőségeket rejt magában a kristályos polimerek nem egyensúlyi állapotának kialakulásában. Ha a kristályosodás késik a szalagok, lemezek és rostok képződése során, az szferulit struktúrák kialakulásához vezet - ez a nagy szerkezetek leggyakoribb eleme.
Ezek olyan kristályaggregátumok, amelyeknek egy központja van, és a középponthoz képest radiális kristályorientációjú.
Tipikus félkristályos képződmények, amelyeket öntvények, fóliák és más polimer termékek előállításának valós körülményei között nyernek, amelyek szinte minden osztályba tartozó nagy molekulatömegű vegyületek kristályosodásán alapulnak.
Polisztirol termékek. Fotó: Pat Hayes
A szferolitok termodinamikailag nem előnyösek, de kinetikailag előnyösek. A szferulitok mérete széles skálán változhat - több tíz mikrontól néhány milliméterig vagy még tovább. A kis szferulitok képesek aggregálódni, és nagyon hosszú szalagszerű részecskéket alkotnak.
A szferulit szalagokat szerkezetük radiális aszimmetriája miatt az optikai tulajdonságok anizotrópiája jellemzi. Az orientáció változása minden sugárirányban megtörténik, ami a váltakozó világos és sötét gyűrűk mintázatának megjelenésében nyilvánul meg.
Elektronmikroszkóp alatt látható grafit szferolitok
A radiális mellett vannak gyűrűs szferulitok is, amelyekre jellemző, hogy a máltai kereszt képére a váltakozó sötét és világos gyűrűk markáns rendszere rakódik rá.
Az egymás után alacsonyabb hőmérsékleten történő kristályosítás során a sokoldalú lamelláktól az erősen elágazó dendritekig különböző köztes szakaszok nyerhetők.
A dendritek elágazó kristályok, néha hasonlóak a fához (a görögül "fa"). A dendrit minden ága krisztallográfiailag összefügg egymással.
A polimerekben lévő szupramolekuláris szerkezeteket elektronmikroszkóppal, neutrondiffrakcióval, röntgendiffrakcióval, fényszórással, kettős töréssel stb. vizsgálják. A kissugaras neutrondiffrakciós módszerrel különösen a makromolekulák forgási sugarait határozták meg, amelyek egybeesnek a Gauss-tekercsek és a zavartalan „kötegek” zavartalan méretei. Jelenleg alternatív szerkezeti modellek ismertek: átfedő statisztikai tekercsek (PSC); statisztikailag összetett makromolekulák (domének), stb. Különösen a Flory által javasolt PSC modell tette lehetővé az összefonódások fogalmának elméleti alátámasztását, és a koncentrált polimer oldatok áramlási és termodinamikai tulajdonságai statisztikai elméleteinek alapja lett. A konformációk Monte Carlo módszerrel végzett számítógépes szimulációjának eredményei is megerősítették a PSC-t, amelyre jellemző a meglehetősen sűrű tömörödés.
A polimerek szerkezetének vizsgálatára szolgáló módszerek két csoportra oszthatók. Az első tartalmazza vizuális módszerek: optikai és elektronmikroszkópia, amelyekben az alkalmazott hullámhossz (fényforrás vagy elektronsugár) jóval kisebb, mint a szerkezeti elemek (makromolekulák vagy aggregátumaik) mérete.
A második csoportba tartozik interferencia diffrakció mód: Röntgendiffrakció, elektron, neutron diffrakció, fényszórás. Ezek a módszerek a vizsgált szerkezeti elemek méretével összemérhető hullámhosszú elektromágneses rezgéseket alkalmaznak. Például az egyik legelterjedtebb módszer - a röntgenszerkezeti elemzés - az l = 0,5-2,5 Å röntgendiffrakció jelenségén alapul. Ha egy röntgensugár olyan kristályokra esik, amelyek lineáris méretei hasonlóak, akkor megbecsülhető az azonosság periódusa, megállapítható a kristályrács különböző síkjainak egymáshoz viszonyított helyzete, megbecsülhető a kristályosság foka, a kristályok mérete, és orientációjukat.
Elektronmikroszkóppal megfigyelhetők az egyes makromolekulák és azok aggregátumai. Ezzel a módszerrel kapták meg a fentebb az ábrákon bemutatott szupramolekuláris struktúrák fő típusait: fibrilláris kristályok, egykristályok és szferulitok. A szferulitok szerkezetének apró részleteit csak elektronmikroszkóp segítségével lehet tanulmányozni.
A szferulitok jelenléte befolyásolja a polimerek mechanikai (szilárdságát) és egyéb tulajdonságait. Például a polietilén, a nejlon és más kristályos polimerek átlátszatlansága a szferulitok jelenlétének tulajdonítható. A kristályos polimerek különleges tulajdonságainak fő oka a szupramolekuláris szerkezetek sokfélesége.
A makromolekulák fizikája iránti érdeklődés egyik fő oka, hogy ezt felhasználva megértsük az élő természet titkait, megértsük a biológiai rendszerek viselkedésének molekuláris alapjait. Az életfolyamatok mechanizmusának megértésében előrelépés lehetetlen fizikai és kémiai ötletek és módszerek alkalmazása nélkül a biológiai folyamatok molekuláris szintű tanulmányozására.
Ebben a részben a szénvegyületekben lévő kémiai kötéseket és molekulaszerkezetüket kezdjük tanulmányozni. A szénatom elektronikus konfigurációjú. Szektában. 2.1 azt mondták, hogy egy szénatomon négy elektron és 2p-pálya tud hibridizálódni négy ekvivalens -pálya képződésének eredményeként, amelyek csak térbeli orientációban különböznek egymástól. Ez a négy pálya lehetővé teszi, hogy a szénatom tetraéderes szerkezetet alkosson. Az ilyen típusú szerkezet klasszikus példája a metánmolekula (17.18. ábra). A metánmolekulában a szénatom négy hibrid pályája mindegyike átfedi a hidrogénatom α-pályáját, és α-kötést képez. Minden β-kötés két elektront tartalmaz - egyet egy szénatomból és egyet egy hidrogénatomból.
A 2s pálya és a szénatomon lévő három pálya közül kettő szintén hibridizálódhat, így három hibrid pályát alkothat. Ezek a pályák ugyanabban a síkban vannak orientálva, és lehetővé teszik a szénatom számára, hogy lapos struktúrákat hozzon létre. Ebben az esetben a szénatom még egy elektront tart vissza a -pályán, amely nem vesz részt a hibridizációban. Egy szomszédos szénatom azonos -elektronjával szocializálódhat, és ezzel egy kötőelektronpárt alkot a -pályán. Ez a helyzet az etilén molekulánál (17.19. ábra). Ebben a molekulában a kettős kötés egy β-kötésből és egy β-kötésből áll. ábrán. 17.19 - a kommunikáció sematikusan két elektronfelhő formájában van ábrázolva.
Az acetilénmolekulában (ábra. Minden szénatom és annak egyik -pályája hibridizálódik, két -pályát képezve. Ezek a pályák egy vonal mentén orientálódnak, és lehetővé teszik a szénatomok számára, hogy lineáris szerkezetet hozzanak létre. Minden szénatomnak még mindig van két elektronja különböző -Orbitals
Rizs. 17.18. Metán molekula.
Rizs. 17.19. Etén (etilén) molekula
Rizs. 17.20. Etin (acetilén) molekula.
ezen elektronok segítségével a szénatomok két β-kötést hoznak létre egymás között, amelyek két egymásra merőleges síkban orientálódnak, amelyek áthaladnak ezeken az atomokon. Így az acetilén molekulában a hármas kötés egy β-kötésből és két β-kötésből áll.
Az aromás vegyületekben az egyes szénciklusok hat szénatomjának -elektronjai delokalizálódnak, és -elektronfelhőt képeznek (lásd 2.8. ábra).
Minden telített szerves vegyület csak kovalens β-kötést tartalmaz. ábrán. A 17.21 és 17.22 sematikusan ábrázolja a propán- és metanolmolekulák kémiai kötéseit. Ezeken az ábrákon az egymást átfedő atompályák minden párja egy β-kötést jelent. ábrán. A 17.22 ábrán ezen kívül az oxigénatom két nem kötőpályája is látható. Mindegyik két nem kötő elektront tartalmaz. A Lewis-képletekben az oxigénatomon lévő nem kötődő elektronok minden párja egy-egy pontpárral van ábrázolva:
Az atomok háromdimenziós elrendezését a szerves vegyületek molekuláiban gyakran kétféle modell segítségével ábrázolják: golyók és rudak modelljei vagy térfogati modelljei. ábrán. A 17.21 és 17.22 mindkét típus modellképeit mutatják propán- és metanolmolekulák esetében.
A szerves molekulák szerkezetének rögzítésekor néha kibővült
Rizs. 17.21. Propán molekula modellek: a - orbitális, b - rudakból és golyókból, c - térfogati.
Rizs. 17.22. A metanol molekulák modelljei: a - orbitális, b - rudakból és golyókból, c - térfogati.
olyan kép, amelyen az atomok háromdimenziós elrendezése látható (lásd 17.23. ábra, a) vagy csak annak kétdimenziós ábrázolása (17.23. ábra, b). Ez utóbbit olyan esetekben alkalmazzák, amikor a molekula geometriai szerkezetét nem veszik figyelembe. Sok esetben azonban elég csak a vegyület szerkezeti képletét feltüntetni (17.23. ábra, c). Nem ad információt a molekulában lévő atomok háromdimenziós elrendezéséről.
Rizs. 17.23. Kiterjesztett és közös szerkezeti képletek.
A világ legnagyobb könyvtáraiban a szobák és a könyvespolcok végtelenül megnyúlnak. Az Egyesült Államok Kongresszusi Könyvtárában található kötetek száma tízmilliós nagyságrendű. Mindegyikük különféle történeteket, részletes elemzéseket, történelmi dokumentumokat mutat be – mindezt saját véleményével. De ez a sok millió angolul írt könyv csak néhány tízezer szóból áll, és minden szó mindössze 26 betű kombinációjából áll - A-tól Z-ig [ plusz szóközök, írásjelek és számok - kb. ford.].
Mindeközben mindannyian egy hatalmas és elképesztően sokféle anyag környezetében élünk – beleértve azt is, amelyből a testünket, valamint az állatok, növények és más élőlények testét alkotó sokféle biológiai struktúra létrejön. A bolygó, ahol élünk, mindenféle kőből áll, amelyek egy része kemény és törékeny, van, amelyik műanyag, különböző színű és textúrájú. A víz mellett alkoholt, savakat, cukrokat és olajokat is találunk különféle formákban. A sütőben készült ételek különböző aromákat bocsátanak ki, amelyeket a levegőből szívunk ki. Szintetikus anyagokat, köztük különféle műanyagokat kell hozzáadni a sókhoz, krétához és ötvözetekhez. De fontos emlékezni arra, hogy az Anyagtár hatalmas gazdagsága a molekulák kicsiny (bár meglehetősen változatos) választékából áll, amelyek viszont mindössze száz atomból állnak - elemekből H-tól U-ig és azon túl is. hidrogéntől uránig és azon túl).
Az olyan írott nyelvek bonyolultsága, mint az angol, a szavakkal kezdődik, az anyagok összetettsége pedig a molekulákkal. Ugyanígy a DNS-ben - dezoxiribonukleinsavban - kódolhatók a biológiai forma hatalmas halmazának felépítésére vonatkozó utasítások, konkrétan annak négy egyszerű molekulából, nukleobázisból álló, hárommolekuláris szótagjainak szálaiban. A bonyolultság oka egy egyszerű matematikai tényen nyugszik – kevés összetevőből sokféle kombináció jöhet létre. Egy összetevő nem elég. Az "a" betűből csak tíz különböző szót állíthat össze, amelyek hossza nem haladja meg a tíz betűt: "a", "aa", "aaa" és így tovább. De 26 betűből már lehet 26 2 kétbetűs szó, azaz 676, és tízbetűs szó - 141 167 095 653 376, sokkal több, mint amennyi a nyelvhez szükséges. Csupán néhány tízezer szó, amelyet millió vagy milliárd lehetséges szó közül választunk ki, elegendő az összes angol irodalom létrehozásához. A kombinációk számának exponenciális növekedésének ugyanazon elvei lehetővé teszik, hogy környezetünk mindössze százféle atomból alakuljon ki, amelyek végtelen számú, néhány atomtól több száz és ezerig terjedő molekulává állíthatók össze.
A szavaktól vagy molekuláktól kezdve két irányban mozoghat kutatási célból. Megpróbálhatjuk megérteni, hogyan állnak össze összetett tárgyak az összetevőikből: mi rejlik egyetlen könyv vagy könyvkészlet létezése mögött? Honnan származik ez az anyag vagy anyagosztály? Vagy mozoghat egy másik irányba, azonosítva a betűk és az atomok forrását, a fő építőelemeket.
Ennek és az azt követő cikkeknek az a célja, hogy választ adjunk a második kérdésre, a molekuláktól kezdve egészen az eredetükig. Természetesen nagyon érdekes tanulmányozni a természetben fellelhető óriási sokféle anyagot, amelyből annyi van, mint a Kongresszusi Könyvtárban található könyvek. Másrészt azonban a molekulák és atomok eredete kevésbé hatalmas téma. Természetesen nem mondható, hogy ezekre a kérdésekre a válasz egyszerű és egyértelmű. Sok meglepő és váratlan részletet tár fel az atom-, mag- és részecske- (vagy nagyenergiájú) fizikából. Akárcsak az ábécé betűinek forrása, ezek is nagyobbak és érdekesebbek, mint azt eredetileg elképzelni lehetett. Olyan felfedezésekhez vezet, amelyek túlmutatnak az anyagok egyszerű tulajdonságain. Elvezeti a fizikát a fény, a nap és más csillagok, a föld történetének, a térnek és az időnek, valamint az univerzumnak a megértéséhez, amelyen a Föld és a Nap áthalad.
De előtte meg kell fontolnia még néhány kérdést. Honnan tudjuk, hogy minden anyag molekulákból áll? Történelmileg erre a kérdésre a választ összetett logikai láncokon és számos tudományos kísérleten keresztül kapták meg. A molekulák létezését egészen a közelmúltig csak sejteni lehetett, ravasz tudományos elemzések és kémiai kísérletek alapján, nem közvetlenül, inkább meggyőzően. Ma már egyértelműbb válasz adható – hiszen ma már molekulákat is „láthatunk”. Mikroszkópon keresztül látjuk őket, bár nem olyan klasszikus típusokat, amiket asztalra téve szemlencsén keresztül bele lehet nézni. Ezek atomerőmikroszkópok, és a megjelenésük inkább a Braille-íráshoz hasonlít; de teljesítik a feladatukat. Lehetővé teszik a tudósok számára, hogy fényképeket készítsenek az anyagokról, részletesen megvizsgálják szerkezetüket, megerősítve ezzel kapcsolatban a korábbi előrejelzéseket. Még korábbi rejtvényeket is megoldottak bizonyos molekulákkal kapcsolatban. Az új metódusok lehetővé teszik az összes közvetett argumentum közvetlen ellenőrzését. Nem mintha kételkednénk bennük, hiszen olyan gyakran használták őket a kémiai reakciók eredményeinek előrejelzésére és új anyagok tervezésére és létrehozására! Mégis, jó tudni, hogy ez a vita nem elvont: léteznek molekulák, és a modern technológiával közvetlenül észlelhetjük őket.
A következő cikkben megvizsgáljuk az atomokat, miből állnak, és hogyan készülnek belőlük a molekulák.
1 oldal
A zsírsavakon, származékukon, vitaminokon, porfirineken, peptideken alapuló molekulaszerkezetek képesek a természetben előforduló biológiai folyamatok utánzására, biofizikai, biokémiai kutatásokban hasznosítják és potenciális gyógyszerként vizsgálják.
A szilárd testben a molekulaszerkezetet a molekulák közötti erős kölcsönhatás határozza meg, ami a rögzített centrumok körüli rezgésekhez vezet, amelyek egybeesnek a molekulák egyensúlyi helyzetével a molekularendszer által alkotott erőterek hatására. Ezek a térben rögzített egyensúlyi helyzetek stabilak. Szabályos, periodikus rendszert alkothatnak, amely a kristályos szilárd anyagok mikroszerkezetében rejlő, vagy amorf állapotuk esetén véletlenszerűen szétszórt kristályrácsnak felel meg. Ez utóbbi esetben a stabilitás elvesztése miatt hajlamos az amorf szerkezet kristályossá való átalakulására. Ennek az átmenetnek az időtartama azonban olyan jelentősnek bizonyul, hogy valójában a szilárd anyagok kristályos és amorf állapota is megfigyelhető. A szilárd test molekuláris (atomi) szerkezetének jellemző tulajdonságai teljes hosszában megmaradnak, ami lehetővé teszi, hogy ebben a szerkezetben mind a rövid, mind a nagy hatótávolságú rendek jelenlétéről beszéljünk.
Felületi rétegek molekuláris szerkezete.
| Az elektromos ellenállás függése a szerves anyag molekulaszerkezetének tömörítési fokától. |
A könnyen mozgó elektronokat tartalmazó molekulaszerkezetet fémesnek nevezzük, mivel ettől függnek a fémek jellemző tulajdonságai. Az elektronok mozgékonyságát nagymértékben meghatározza az atomok közötti távolság.
Kovalens, nem lokalizált kötések esetén a szilárd anyag képződése során sem hiányzik a molekulaszerkezet. Az atomok és molekulák kölcsönhatásában a vegyértékerők mellett lényeges szerepet játszanak a gyengébb, úgynevezett polarizációs erők.
Kovalens, nem lokalizált kötések esetén a szilárd anyag képződése során sem hiányzik a molekulaszerkezet. Az atomok és molekulák kölcsönhatásában a vegyértékerők mellett lényeges szerepet játszanak a gyengébb, úgynevezett polarizációs erők.
Az ilyen só-polielektrolit komplexek molekulaszerkezete ugyanazon komponenspár esetében eltérő lehet, attól függően, hogy milyen körülmények között keletkezik a komplex.
ábrán látható molekulaszerkezet. 6, összhangban van az anyag tulajdonságaival. A koordinációs kettős kötések kialakulása miatt megjelenő intenzív vonal 1541 cm-1-nél rendkívül magasan fekszik az n-kötött konjugált rendszer esetében.
Parkettás (parkettás) módszerrel csomagolt molekularétegekből álló molekulaszerkezet. A rétegek párhuzamosak a (100) síkkal, és a molekula hossztengelye erre a síkra merőleges.
