Kiến thức Phổ thông

Tìm hiểu Phân tử là gì: cấu tạo, khám phá và lực liên kết giữa các thành phần

Phân tử là gì?

Phân tử là một nhóm gồm hai hoặc nhiều nguyên tử tạo thành đơn vị nhận dạng nhỏ nhất mà trong đó một chất nguyên chất có thể được phân chia và vẫn giữ được thành phần và tính chất hóa học của chất đó. Việc phân chia một mẫu của một chất thành các phần nhỏ dần dần không tạo ra sự thay đổi về thành phần hoặc tính chất hóa học của nó cho đến khi đạt được các phần gồm các phân tử đơn lẻ.

Sự phân chia hơn nữa của chất dẫn đến các phần vẫn nhỏ hơn thường khác với chất ban đầu trong thành phần và luôn khác với tính chất hóa học. Trong giai đoạn phân mảnh sau này, các liên kết hóa học giữ các nguyên tử lại với nhau trong phân tử bị phá vỡ.

Cấu tạo phân tử

Các nguyên tử bao gồm một hạt nhân duy nhất có điện tích dương được bao quanh bởi một đám mây electron tích điện âm. Khi các nguyên tử tiếp cận nhau chặt chẽ, các đám mây điện tử tương tác với nhau và với các hạt nhân. Nếu sự tương tác này sao cho tổng năng lượng của hệ thống bị hạ thấp, thì các nguyên tử liên kết với nhau tạo thành một phân tử. Do đó, từ quan điểm cấu trúc, một phân tử bao gồm một tập hợp các nguyên tử được giữ bởi các lực hóa trị. Các phân tử diatomic chứa hai nguyên tử được liên kết hóa học.

Nếu hai nguyên tử giống hệt nhau, ví dụ như trong phân tử oxy (O2), chúng tạo ra một phân tử diatomic đồng âm, trong khi nếu các nguyên tử khác nhau, như trong phân tử carbon monoxide (CO), chúng tạo thành một phân tử dị hợp tử phân tử. Các phân tử chứa nhiều hơn hai nguyên tử được gọi là các phân tử polyatomic, ví dụ, carbon dioxide (CO2) và nước (H2O). Các phân tử polymer có thể chứa nhiều ngàn nguyên tử thành phần.

Tỷ lệ số lượng nguyên tử có thể liên kết với nhau để tạo thành phân tử là cố định; ví dụ, mỗi phân tử nước chứa hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Chính đặc điểm này giúp phân biệt các hợp chất hóa học với các dung dịch và các hỗn hợp cơ học khác. Do đó hydro và oxy có thể có mặt ở bất kỳ tỷ lệ tùy ý nào trong hỗn hợp cơ học nhưng khi được châm ngòi sẽ chỉ kết hợp theo tỷ lệ xác định để tạo thành nước hợp chất hóa học (H 2 O).

Có thể các loại nguyên tử giống nhau kết hợp theo tỷ lệ khác nhau nhưng xác định để tạo thành các phân tử khác nhau; ví dụ, hai nguyên tử hydro sẽ liên kết hóa học với một nguyên tử oxy để tạo ra một phân tử nước, trong khi hai nguyên tử hydro có thể liên kết hóa học với hai nguyên tử oxy để tạo thành một phân tử hydro peroxide (H 2 O 2).

Hơn nữa, các nguyên tử có thể liên kết với nhau theo tỷ lệ giống hệt nhau để tạo thành các phân tử khác nhau. Các phân tử như vậy được gọi là các đồng phân và chỉ khác nhau trong sự sắp xếp của các nguyên tử trong các phân tử. Ví dụ, rượu ethyl (CH3CH2OH) và methyl ether (CH3OCH3) đều chứa một, hai và sáu nguyên tử oxy, carbon và hydro, nhưng các nguyên tử này được liên kết theo những cách khác nhau.

Không phải tất cả các chất được tạo thành từ các đơn vị phân tử riêng biệt. Chẳng hạn, natri clorua (muối ăn thông thường), bao gồm các ion natri và ion clo được sắp xếp trong một mạng sao cho mỗi ion natri được bao quanh bởi sáu ion clo tương đương và mỗi ion clo được bao quanh bởi sáu ion natri tương đương. Các lực tác dụng giữa bất kỳ natri và bất kỳ ion clo lân cận nào đều bằng nhau.

Do đó, không có tổng hợp riêng biệt có thể xác định là một phân tử natri clorua tồn tại. Do đó, trong natri clorua và trong tất cả các chất rắn cùng loại, khái niệm phân tử hóa học không có ý nghĩa. Do đó, công thức cho một hợp chất như vậy được đưa ra là tỷ lệ đơn giản nhất của các nguyên tử, được gọi là đơn vị công thức, trong trường hợp natri clorua, NaCl.

Liên kết trong phân tử

Tìm hiểu Phân tử là gì: cấu tạo, khám phá và lực liên kết giữa các thành phần

Các phân tử được tổ chức với nhau bằng các cặp electron chia sẻ, hoặc liên kết cộng hóa trị. Các liên kết như vậy là định hướng, có nghĩa là các nguyên tử chấp nhận các vị trí cụ thể liên quan đến nhau để tối đa hóa sức mạnh liên kết. Kết quả là, mỗi phân tử có cấu trúc xác định, khá cứng nhắc hoặc phân bố không gian của các nguyên tử của nó. Hóa học cấu trúc có liên quan đến hóa trị, xác định cách các nguyên tử kết hợp theo tỷ lệ xác định và làm thế nào điều này có liên quan đến hướng liên kết và độ dài liên kết.

Các tính chất của các phân tử tương quan với cấu trúc của chúng; ví dụ, phân tử nước bị uốn cong về mặt cấu trúc và do đó có mômen lưỡng cực, trong khi phân tử carbon dioxide là tuyến tính và không có mômen lưỡng cực. Việc làm sáng tỏ cách thức các nguyên tử được tổ chức lại trong quá trình phản ứng hóa học là rất quan trọng. Trong một số phân tử cấu trúc có thể không cứng nhắc; ví dụ, trong ethane (H3CCH3), hầu như không có sự quay tự do về liên kết đơn carbon-carbon.

Các vị trí hạt nhân trong một phân tử được xác định hoặc từ phổ quay rung vi sóng hoặc bằng nhiễu xạ neutron. Đám mây điện tử bao quanh các hạt nhân trong một phân tử có thể được nghiên cứu bằng các thí nghiệm nhiễu xạ tia X. Thông tin thêm có thể thu được bằng kỹ thuật cộng hưởng spin electron hoặc kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân. Những tiến bộ trong kính hiển vi điện tử đã cho phép tạo ra hình ảnh trực quan của từng phân tử và nguyên tử.

Về mặt lý thuyết cấu trúc phân tử được xác định bằng cách giải phương trình cơ học lượng tử cho chuyển động của các electron trong trường của hạt nhân (gọi là phương trình Schrödinger). Trong cấu trúc phân tử, độ dài liên kết và góc liên kết là những mức mà năng lượng phân tử ít nhất. Việc xác định cấu trúc bằng giải pháp số của phương trình Schrödinger đã trở thành một quá trình phát triển cao đòi hỏi phải sử dụng máy tính và siêu máy tính.

Chủ đề xuất hiện trong bài viết
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker