Semua benda yang mengelilingi kita terdiri dari atom. Atom, pada gilirannya, berkumpul menjadi molekul. Karena perbedaan struktur molekul, seseorang dapat berbicara tentang zat yang berbeda satu sama lain, berdasarkan sifat dan parameternya. Molekul dan atom selalu dalam keadaan dinamis. Bergerak, mereka masih tidak menyebar ke arah yang berbeda, tetapi ditahan dalam struktur tertentu, yang kita berutang pada keberadaan berbagai macam zat di seluruh dunia di sekitar kita. Apa partikel-partikel ini dan apa sifat-sifatnya?
Konsep umum
Jika kita mulai dari teori mekanika kuantum, maka molekul tidak terdiri dari atom, tetapi inti dan elektronnya, yang terus berinteraksi satu sama lain.
Untuk beberapa zat, molekul adalah partikel terkecil yang memiliki komposisi dan sifat kimia dari zat itu sendiri. Jadi, sifat-sifat molekul dari sudut pandang kimia ditentukan oleh struktur kimianya dankomposisi. Tetapi hanya untuk zat dengan struktur molekul, aturannya berlaku: sifat kimia zat dan molekul adalah sama. Untuk beberapa polimer, seperti etilen dan polietilen, komposisinya tidak sesuai dengan komposisi molekul.
Sudah diketahui bahwa sifat-sifat molekul ditentukan tidak hanya oleh jumlah atom, jenisnya, tetapi juga oleh konfigurasi, urutan hubungan. Molekul adalah struktur arsitektur yang kompleks, di mana setiap elemen berdiri di tempatnya dan memiliki tetangga spesifiknya. Struktur atom bisa lebih atau kurang kaku. Setiap atom bergetar pada posisi setimbangnya.
Konfigurasi dan parameter
Itu terjadi bahwa beberapa bagian dari molekul berotasi dalam kaitannya dengan bagian lain. Jadi, dalam proses gerak termal, molekul bebas mengambil bentuk (konfigurasi) aneh.
Pada dasarnya, sifat molekul ditentukan oleh ikatan (jenisnya) antara atom dan arsitektur molekul itu sendiri (struktur, bentuk). Jadi, pertama-tama, teori kimia umum mempertimbangkan ikatan kimia dan didasarkan pada sifat-sifat atom.
Dengan polaritas yang kuat, sifat-sifat molekul sulit dijelaskan dengan korelasi dua atau tiga konstan, yang sangat baik untuk molekul non-polar. Oleh karena itu, parameter tambahan dengan momen dipol diperkenalkan. Tetapi metode ini tidak selalu berhasil, karena molekul polar memiliki karakteristik tersendiri. Parameter juga telah diusulkan untuk memperhitungkan efek kuantum, yang penting pada suhu rendah.
Apa yang kita ketahui tentang molekul zat yang paling umum di Bumi?
Dari semua zat di planet kita, yang paling umum adalah air. Itu, dalam arti harfiah, menyediakan kehidupan untuk segala sesuatu yang ada di Bumi. Hanya virus yang dapat melakukannya tanpanya, sisa struktur hidup dalam komposisinya sebagian besar memiliki air. Sifat-sifat molekul air apa, yang merupakan ciri khasnya saja, yang digunakan dalam kehidupan ekonomi manusia dan satwa liar di Bumi?
Bagaimanapun, ini adalah zat yang benar-benar unik! Tidak ada zat lain yang dapat membanggakan seperangkat sifat yang melekat pada air.
Air adalah pelarut utama di alam. Semua reaksi yang terjadi pada organisme hidup, dengan satu atau lain cara, terjadi di lingkungan akuatik. Artinya, zat masuk ke dalam reaksi saat dalam keadaan terlarut.
Air memiliki kapasitas panas yang sangat baik, tetapi konduktivitas termalnya rendah. Berkat sifat-sifat ini, kita dapat menggunakannya sebagai transportasi panas. Prinsip ini termasuk dalam mekanisme pendinginan sejumlah besar organisme. Dalam industri tenaga nuklir, sifat-sifat molekul air memunculkan penggunaan zat ini sebagai pendingin. Selain kemungkinan menjadi media reaktif bagi zat lain, air sendiri dapat masuk ke dalam reaksi: fotolisis, hidrasi, dan lain-lain.
Air murni alami adalah cairan yang tidak berbau, tidak berwarna dan tidak berasa. Namun pada ketebalan lapisan lebih dari 2 meter, warnanya menjadi kebiruan.
Seluruh molekul air adalah dipol (dua kutub yang berlawanan). Ini adalah struktur dipol diterutama menentukan sifat yang tidak biasa dari zat ini. Molekul air adalah diamagnet.
Air logam memiliki sifat menarik lainnya: molekulnya memperoleh struktur rasio emas, dan struktur zat memperoleh proporsi bagian emas. Banyak sifat molekul air telah ditetapkan dengan menganalisis penyerapan dan emisi spektrum bergaris dalam fase gas.
Ilmu pengetahuan dan sifat molekul
Semua zat, kecuali zat kimia, memiliki sifat fisik molekul yang menyusun strukturnya.
Dalam ilmu fisika, konsep molekul digunakan untuk menjelaskan sifat-sifat zat padat, cair, dan gas. Kemampuan semua zat untuk berdifusi, viskositasnya, konduktivitas termal, dan sifat lainnya ditentukan oleh mobilitas molekul. Ketika fisikawan Prancis Jean Perrin mempelajari gerak Brown, ia secara eksperimental membuktikan keberadaan molekul. Semua organisme hidup ada karena interaksi internal yang seimbang dalam struktur. Semua sifat kimia dan fisika zat sangat penting bagi ilmu alam. Perkembangan fisika, kimia, biologi, dan fisika molekuler memunculkan ilmu seperti biologi molekuler, yang mempelajari fenomena dasar dalam kehidupan.
Menggunakan termodinamika statistik, sifat fisik molekul, yang ditentukan oleh spektroskopi molekul, dalam kimia fisik menentukan sifat termodinamika zat yang diperlukan untuk menghitung kesetimbangan kimia dan laju pembentukannya.
Apa perbedaan antara sifat atom dan molekul?
Pertama-tama, atom tidak terjadi dalam keadaan bebas.
Molekul memiliki spektrum optik yang lebih kaya. Ini disebabkan oleh simetri yang lebih rendah dari sistem dan munculnya kemungkinan rotasi dan osilasi baru dari inti. Untuk sebuah molekul, energi total terdiri dari tiga energi yang berbeda dalam urutan besarnya komponen:
- cangkang elektronik (radiasi optik atau ultraviolet);
- getaran inti (bagian inframerah dari spektrum);
- rotasi molekul secara keseluruhan (rentang frekuensi radio).
Atom memancarkan spektrum garis karakteristik, sedangkan molekul memancarkan spektrum bergaris yang terdiri dari banyak garis yang berjarak dekat.
Analisis spektral
Optik, listrik, magnet dan sifat-sifat molekul lainnya juga ditentukan oleh hubungan dengan fungsi gelombang. Data tentang keadaan molekul dan kemungkinan transisi di antara mereka menunjukkan spektrum molekul.
Transisi (elektronik) dalam molekul menunjukkan ikatan kimia dan struktur kulit elektronnya. Spektrum dengan lebih banyak koneksi memiliki pita serapan panjang gelombang panjang yang jatuh ke wilayah yang terlihat. Jika suatu zat dibangun dari molekul seperti itu, ia memiliki warna yang khas. Ini semua pewarna organik.
Sifat molekul dari zat yang sama adalah sama di semua keadaan agregasi. Ini berarti bahwa pada zat yang sama, sifat molekul zat cair, zat gas tidak berbeda dengan sifat padatan. Molekul suatu zat selalu memiliki struktur yang sama, terlepas darikeadaan agregat materi itu sendiri.
Data listrik
Cara suatu zat berperilaku dalam medan listrik ditentukan oleh karakteristik listrik molekul: polarisasi dan momen dipol permanen.
Momen dipol adalah asimetri listrik suatu molekul. Molekul yang memiliki pusat simetri seperti H2 tidak memiliki momen dipol permanen. Kemampuan kulit elektron suatu molekul untuk bergerak di bawah pengaruh medan listrik, sebagai akibatnya momen dipol yang diinduksi terbentuk di dalamnya, adalah kemampuan polarisasi. Untuk mencari nilai polarisasi dan momen dipol perlu dilakukan pengukuran permitivitas.
Perilaku gelombang cahaya dalam medan listrik bolak-balik dicirikan oleh sifat optik suatu zat, yang ditentukan oleh polarisasi molekul zat ini. Berhubungan langsung dengan polarisasi adalah: hamburan, pembiasan, aktivitas optik dan fenomena lain dari optik molekul.
Orang sering mendengar pertanyaan: "Selain molekul, sifat-sifat zat bergantung pada apa?" Jawabannya cukup sederhana.
Sifat zat, kecuali isometri dan struktur kristal, ditentukan oleh suhu lingkungan, zat itu sendiri, tekanan, keberadaan pengotor.
Kimia molekul
Sebelum terbentuknya ilmu mekanika kuantum, sifat ikatan kimia dalam molekul merupakan misteri yang belum terpecahkan. Fisika klasik menjelaskan arah dansaturasi ikatan valensi tidak bisa. Setelah pembuatan informasi teoritis dasar tentang ikatan kimia (1927) menggunakan contoh molekul H2 paling sederhana, teori dan metode perhitungan mulai ditingkatkan secara bertahap. Misalnya, berdasarkan penggunaan luas metode orbital molekul, kimia kuantum, menjadi mungkin untuk menghitung jarak antar atom, energi molekul dan ikatan kimia, distribusi kerapatan elektron, dan data lain yang sepenuhnya sesuai dengan data eksperimen.
Zat dengan komposisi yang sama, tetapi struktur kimianya berbeda dan sifat-sifatnya berbeda, disebut isomer struktural. Mereka memiliki rumus struktur yang berbeda, tetapi rumus molekulnya sama.
Berbagai jenis isomerisme struktural telah diketahui. Perbedaannya terletak pada struktur rangka karbon, posisi gugus fungsi, atau posisi ikatan rangkap. Selain itu, masih ada isomer spasial di mana sifat-sifat molekul zat dicirikan oleh komposisi dan struktur kimia yang sama. Oleh karena itu, baik rumus struktur maupun rumus molekul adalah sama. Perbedaannya terletak pada bentuk spasial molekul. Rumus khusus digunakan untuk mewakili isomer spasial yang berbeda.
Ada senyawa yang disebut homolog. Mereka serupa dalam struktur dan sifat, tetapi berbeda dalam komposisi oleh satu atau lebih gugus CH2. Semua zat yang serupa dalam struktur dan sifat digabungkan menjadi deret homolog. Setelah mempelajari sifat-sifat satu homolog, seseorang dapat bernalar tentang yang lainnya. Himpunan homolog adalah deret homolog.
Saat mengubah struktur materisifat kimia molekul berubah secara dramatis. Bahkan senyawa yang paling sederhana menjadi contoh: metana, bila digabungkan dengan satu atom oksigen saja, menjadi cairan beracun yang disebut metanol (metil alkohol - CH3OH). Dengan demikian, komplementaritas kimia dan efeknya pada organisme hidup menjadi berbeda. Perubahan serupa tetapi lebih kompleks terjadi ketika memodifikasi struktur biomolekul.
Sifat molekul kimia sangat bergantung pada struktur dan sifat molekul: pada ikatan energi di dalamnya dan geometri molekul itu sendiri. Hal ini terutama berlaku dalam senyawa biologis aktif. Reaksi persaingan mana yang akan dominan seringkali hanya ditentukan oleh faktor spasial, yang pada gilirannya bergantung pada molekul awal (konfigurasinya). Satu molekul dengan konfigurasi "tidak nyaman" tidak akan bereaksi sama sekali, sedangkan molekul lain dengan komposisi kimia yang sama tetapi geometri yang berbeda dapat langsung bereaksi.
Sejumlah besar proses biologis yang diamati selama pertumbuhan dan reproduksi dikaitkan dengan hubungan geometris antara produk reaksi dan bahan awal. Sekadar informasi: aksi sejumlah besar obat baru didasarkan pada struktur molekul serupa dari suatu senyawa yang berbahaya dari sudut pandang biologis bagi tubuh manusia. Obat menggantikan molekul berbahaya dan membuatnya sulit untuk bertindak.
Dengan bantuan rumus kimia, komposisi dan sifat molekul zat yang berbeda diungkapkan. Berdasarkan berat molekul, analisis kimia, rasio atom ditetapkan dan disusunrumus empiris.
Geometri
Penentuan struktur geometris suatu molekul dilakukan dengan mempertimbangkan susunan kesetimbangan inti atom. Energi interaksi atom tergantung pada jarak antara inti atom. Pada jarak yang sangat jauh, energi ini adalah nol. Saat atom saling mendekat, ikatan kimia mulai terbentuk. Kemudian atom-atom tersebut saling tarik menarik.
Jika ada gaya tarik-menarik yang lemah, maka pembentukan ikatan kimia tidak diperlukan. Jika atom mulai mendekat pada jarak yang lebih dekat, gaya tolak elektrostatik mulai bekerja di antara inti. Hambatan untuk konvergensi yang kuat dari atom adalah ketidakcocokan kulit elektron internal mereka.
Ukuran
Tidak mungkin melihat molekul dengan mata telanjang. Mereka sangat kecil sehingga bahkan mikroskop dengan perbesaran 1000x tidak akan membantu kita untuk melihatnya. Ahli biologi mengamati bakteri sekecil 0,001 mm. Tapi molekul ratusan dan ribuan kali lebih kecil.
Saat ini, struktur molekul zat tertentu ditentukan dengan metode difraksi: difraksi neutron, analisis difraksi sinar-X. Ada juga spektroskopi vibrasi dan metode paramagnetik elektron. Pilihan metode tergantung pada jenis zat dan kondisinya.
Ukuran molekul adalah nilai bersyarat, dengan mempertimbangkan kulit elektron. Intinya adalah jarak elektron dari inti atom. Semakin besar mereka, semakin kecil kemungkinan untuk menemukan elektron dari molekul. Dalam prakteknya, ukuran molekul dapat ditentukan dengan memperhitungkan jarak kesetimbangan. Ini adalah interval di mana molekul itu sendiri dapat mendekati satu sama lain ketika padat dalam kristal molekul dan dalam cairan.
Jarak jauh memiliki molekul untuk menarik, dan yang kecil, sebaliknya, untuk tolak-menolak. Oleh karena itu, analisis difraksi sinar-X dari kristal molekuler membantu menemukan dimensi molekul. Dengan menggunakan koefisien difusi, konduktivitas termal dan viskositas gas, serta kerapatan suatu zat dalam keadaan terkondensasi, seseorang dapat menentukan urutan besarnya ukuran molekul.
