مولکول: کوچکترین ذره یک ماده که خواص شیمیایی آن را حفظ میکند
ساختمان مولکول: از اتم تا پیوند
برای درک مولکول1، ابتدا باید با واحد کوچکتر آن، یعنی اتم2 آشنا شویم. اتمها مانند آجرهای سازنده جهان هستند. اما اکثر مواد اطراف ما تنها از یک نوع اتم ساخته نشدهاند. مثلاً آب از ترکیب دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن به وجود میآید. اینجاست که مولکول وارد صحنه میشود.
مولکولها از دو یا چند اتم که به وسیله پیوندهای شیمیایی3 محکم به هم متصل شدهاند، تشکیل میشوند. میتوان آن را به یک خانواده کوچک تشبیه کرد که اعضای آن (اتمها) با رابطهای قوی (پیوند) به هم وصل شده و یک واحد مستقل (مولکول) را تشکیل میدهند.
| ویژگی | اتم | مولکول |
|---|---|---|
| تعریف | کوچکترین ذره یک عنصر5 که میتواند وارد واکنش شیمیایی شود. | کوچکترین ذره یک ماده (عنصر یا ترکیب6) که خواص شیمیایی آن ماده را حفظ میکند. |
| ساختار | از هسته و الکترون تشکیل شده است. | از دو یا چند اتم متصل به هم تشکیل شده است. |
| مثال | یک اتم طلا (Au)، یک اتم اکسیژن (O) | یک مولکول آب (H$_2$O)، یک مولکول اکسیژن (O$_2$) |
| استقلال در طبیعت | در برخی گازهای نجیب7 به صورت تک اتمی یافت میشوند. | اغلب مواد (گازها، مایعات، بسیاری از جامدات) به صورت مولکولی وجود دارند. |
خواندن و نوشتن زبان مولکولها: فرمول شیمیایی
شیمیدانها برای نشان دادن ترکیب مولکولها از یک زبان نمادین استفاده میکنند که به آن فرمول شیمیایی8 میگویند. فرمول مولکولی، نوع و تعداد اتمهای سازنده یک مولکول را نشان میدهد. این فرمولها مانند شناسنامه ماده عمل میکنند.
$H_2O$: این نماد نشان میدهد هر مولکول آب از 2 اتم هیدروژن (H) و 1 اتم اکسیژن (O) تشکیل شده است.
$O_2$: مولکول اکسیژنی که ما تنفس میکنیم، از دو اتم اکسیژن به هم پیوسته تشکیل شده است.
$C_6H_{12}O_6$: فرمول مولکول گلوکز9 (یک نوع قند) که دارای 6 اتم کربن، 12 اتم هیدروژن و 6 اتم اکسیژن است.
مولکولها چگونه خواص ماده را تعیین میکنند؟
خواص یک ماده، چه فیزیکی (مانند نقطه جوش و رنگ) و چه شیمیایی (مانند اشتعالپذیری و واکنش با اسید)، مستقیماً به نوع و آرایش اتمها در مولکولهای آن بستگی دارد. این موضوع را با یک مثال ساده بررسی میکنیم.
همچنان که گفتیم، مولکول آب $H_2O$ است. مولکول دیگری به نام پراکسید هیدروژن10 (آب اکسیژنه) با فرمول $H_2O_2$ وجود دارد. هر دو از اتمهای هیدروژن و اکسیژن ساخته شدهاند، اما تعداد و نحوه اتصال اتمها متفاوت است. همین تفاوت کوچک در ساختار مولکولی باعث میشود آب یک مایع حیاتبخش باشد، در حالی که پراکسید هیدروژن یک ماده اکسیدکننده قوی است که برای ضدعفونی کردن استفاده میشود.
| ماده | فرمول مولکولی | خواص کلیدی | کاربرد اصلی |
|---|---|---|---|
| دیاکسید کربن | $CO_2$ | گاز بیرنگ، سنگینتر از هوا، محلول در آب. | گیاهان برای فتوسنتز11 از آن استفاده میکنند. در نوشابههای گازدار. |
| متان | $CH_4$ | گاز بیرنگ، بیبو، بسیار قابل اشتعال. | مؤلفه اصلی گاز طبیعی، به عنوان سوخت استفاده میشود. |
| ساکارز (شکر معمولی) | $C_{12}H_{22}O_{11}$ | جامد بلوری، شیرین، محلول در آب. | شیرینکننده غذا و نوشیدنیها. |
مولکولها در عمل: از آشپزخانه تا صنعت
وقتی شکر را در چای داغ هم میزنید، در واقع در حال جدا کردن مولکولهای ساکارز از یکدیگر و پخش کردن آنها بین مولکولهای آب هستید. این یک تغییر فیزیکی است؛ زیرا مولکول شکر تغییری نمیکند، فقط از جامد به محلول تبدیل میشود. اما وقتی شیر ترش میشود، مولکولهای لاکتوز12 (قند شیر) توسط باکتریها به مولکولهای اسید لاکتیک تبدیل میشوند. این یک تغییر شیمیایی است، زیرا خود مولکولها شکسته شده و مولکولهای جدیدی با خواص متفاوت (ترشبودن) به وجود میآید.
در صنعت داروسازی، دانشمندان دقیقاً با دستکاری ساختار مولکولی داروها سروکار دارند. آنها سعی میکنند با تغییر آرایش اتمها در یک مولکول، دارویی بسازند که اثر درمانی بهتر و عوارض کمتری داشته باشد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. برخی مواد ساختار مولکولی ندارند. فلزات (مانند آهن، طلا) از اتمهایی تشکیل شدهاند که در یک شبکه منظم و گسترده کنار هم قرار گرفتهاند و واحدهای مجزای مولکولی تشکیل نمیدهند. همچنین نمک خوراکی (سدیم کلرید) از یونهای سدیم و کلر تشکیل شده که در شبکهای بلوری مرتب شدهاند. این مواد، مواد یونی13 هستند نه مولکولی.
پاسخ: مولکولها آنقدر کوچک هستند که با چشم غیرمسلح یا حتی میکروسکوپهای نوری معمولی دیده نمیشوند. برای مشاهده مستقیم آنها از دستگاههای بسیار پیشرفتهای مانند میکروسکوپ تونلی روبشی14 یا میکروسکوپ نیروی اتمی15 استفاده میشود که قادر به تصویربرداری از اتمها و مولکولها هستند.
پاسخ: در تغییر فیزیکی (مانند ذوب یخ یا شکستن شیشه)، مولکولها تغییر نمیکنند. فقط فاصله، آرایش یا سرعت حرکت آنها عوض میشود. اما در تغییر شیمیایی (مانند زنگ زدن آهن یا سوختن چوب)، پیوندهای بین اتمها در مولکولهای اولیه میشکنند و مولکولهای جدیدی با خواص کاملاً متفاوت تشکیل میشوند.
پاورقی
[1] Molecule [2] Atom [3] Chemical Bond [4] Electron: ذرهای با بار منفی که به دور هسته اتم میچرخد. [5] Element: مادهای که تنها از یک نوع اتم ساخته شده باشد (مانند طلا، اکسیژن). [6] Compound: مادهای که از دو یا چند نوع اتم مختلف به نسبت معین تشکیل شده باشد (مانند آب، نمک). [7] Noble Gases: گروه هلیوم، نئون، آرگون و ... در جدول تناوبی که به صورت تک اتمی پایدار هستند. [8] Chemical Formula [9] Glucose [10] Hydrogen Peroxide [11] Photosynthesis: فرآیند ساخت غذا در گیاهان با استفاده از نور، آب و دیاکسید کربن. [12] Lactose [13] Ionic Compounds: ترکیباتی که از نیروی جاذبه بین یونهای مثبت و منفی تشکیل میشوند. [14] Scanning Tunneling Microscope (STM) [15] Atomic Force Microscope (AFM)
