Mô hình phân tử

18

Mô hình phân tử

A. I. KITAIGORODSKY

Sẽ rất hữu ích khi nhớ rằng lời nói được tạo ra bởi con người.
Những từ ngữ dùng trong cuộc sống thường có tính chất mờ nhạt. Không phải tất cả các khái niệm đều giống nhau - các từ lông mao và vẻ đẹp, năng lượng và sự căng thẳng. Và thời tiết “tốt” đối với mỗi người là khác nhau.
Trong khoa học, tình trạng này không tồn tại, hoặc ít nhất nó không nên tồn tại. Đặc biệt không khoan dung là việc sử dụng từ ngữ không chính xác trong vật lý.
Các khái niệm vật lý đơn giản nhất của tự nhiên được sử dụng để mô tả các đặc tính và hành vi của các vật thể và cơ thể mà cuộc sống của chúng ta diễn ra trong đó, nói tóm lại, đối với các cơ thể “lớn” hoặc, như chúng ta cũng nói, đối với các cơ thể có dinh dưỡng vĩ mô.
Những khái niệm nào từ thế giới vĩ mô có thể được áp dụng cho các phân tử? Tất cả hay một số? Sự thật nằm ở giữa.
Còn các khái niệm hình học và cơ học thì sao?
Có thể nói về hình dạng của phân tử, độ đàn hồi của nó, mô hình uốn cong và xoắn, và cuối cùng là độ phân lớp của phân tử? Liệu khái niệm nội phân tử và khái niệm cơ học có ý nghĩa hay không là điều không những có thể thực hiện được mà còn được khuyến khích.

Cụm từ này có nghĩa như sau.
Trong một số trường hợp, phân tử ULE có thể được coi là một khối lớn.
Một vật thể có thể so sánh được với một phân tử nhất định được gọi là mô hình cơ học của phân tử đó.
bài toán của chúng tôi là cho biết mô hình này được xây dựng như thế nào và cách sử dụng nó cho lời giải các vấn đề vật lý khác nhau.
Mô hình cơ học của phân tử gần đây đã trở nên phổ biến do sự quan tâm đến các phân tử khổng lồ (so với nguyên tử) mà từ đó các polyme tổng hợp được tạo ra - nylon, nylon, polystylene (những tên này hiện được gọi là nhà), cũng như các chất quan trọng nhất đối với sự sống của động vật và thực vật - protein, axit nucleic, v.v.
Bất kỳ “hình ảnh” nào của một phân tử phải bao gồm sự mô tả vị trí tương đối của hạt nhân nguyên tử và đặc điểm của các electron chuyển động xung quanh hạt nhân này.
Kinh nghiệm hóa học cho phép bạn thiết lập cấu trúc nguyên tử của một phân tử (xây dựng mô hình nguyên tử của nó), nghĩa là chỉ ra phân tử đó được tạo thành từ những nguyên tử nào và chúng được kết nối với nhau như thế nào. Một số electron bắt buộc phải liên kết với một số nguyên tử nhất định, trong khi những electron khác thì “tổng quát hóa”. Các nhà hóa học nói về những electron này rằng “chúng thực hiện liên kết hóa học”.

18

20

với một nguyên tử cacbon. (Nhóm nguyên tử này được gọi là metyl.) Bây giờ, hãy nối một nguyên tử cacbon của nhóm này bằng đường hóa trị với nguyên tử cacbon thứ hai. Ngoài ra, nguyên tử thứ hai này phải được nối với một cặp nguyên tử hydro và vẽ đường thứ tư (có bốn đường từ một nguyên tử, nghĩa là nó có hóa trị bốn) với nguyên tử oxy. Nguyên tử hydro còn lại phải được gắn vào một nguyên tử oxy.

Nhà vật lý sẽ ngay lập tức đặt một câu hỏi. Và các nguyên tử ở khoảng cách bao nhiêu, các đường hóa trị đi với nhau ở những góc nào? Những câu hỏi như thế này đáp số có thể thu được bằng nghiên cứu vật lý. Bây giờ chúng ta hãy tạm gác lại câu hỏi làm thế nào hình học của một phân tử được thiết lập về mặt vật lý bằng các thí nghiệm. Dữ liệu mở rộng chỉ được thu thập trong sách tham khảo. Trong đó, bạn có thể tìm thấy thông tin về khoảng cách mà các nguyên tử liên kết hóa học được đặt và những góc nào (chúng được gọi là góc liên kết) tạo thành các “thanh” giữa nhau, tượng trưng cho lực hóa trị hóa học. Nếu bạn không quá chú ý đến những khác biệt tinh tế, thì hóa ra khoảng cách giữa các nguyên tử một phần tám là khá phổ biến, mặc dù góc liên kết có thể thay đổi nhiều hơn. Vì vậy, việc dự đoán cấu trúc của một phân tử không phải lúc nào cũng dễ dàng. Nhưng chúng ta sẽ nói về điều này sau.

Cơm. 2.

Bây giờ chúng ta có thể chuyển sang vấn đề về lực cơ học.

Lực tác động giữa các phân tử được thể hiện rõ ràng từ những thông điệp cơ bản nhất. Hơi của bất kỳ chất nào trong điều kiện thích hợp sẽ chuyển thành giọt. Nếu vậy thì chắc chắn các phân tử sẽ được chấp nhận. Các chất chống lại sự tràn lan. Điều này có nghĩa là ở khoảng cách ngắn, các phân tử đẩy nhau. Nếu có lực hút ở khoảng cách lớn và lực đẩy ở khoảng cách nhỏ thì sẽ có khoảng cách cân bằng khi các lực này cân bằng.

Thay vì nói về lực tương tác, sẽ thuận tiện hơn nhiều khi nói về năng lượng tương tác ). Năng lượng tương tác dễ đo lường hơn và khái niệm này đơn giản và rõ ràng hơn lực*). Năng lượng tương tác giữa các phân tử (hoặc nguyên tử, hoặc bất kỳ hạt hoặc vật thể nào khác) được gọi là công phải được thực hiện để di chuyển các hạt ra xa nhau - sao cho tương tác dừng lại. Nhà toán học sẽ nói - hãy đưa nó đến một khoảng cách vô cùng lớn. Các hạt càng gần nhau thì càng cần nhiều công để kéo chúng ra xa nhau. Công này đạt giá trị cực đại khi các hạt ở khoảng cách cân bằng với nhau. Công việc này được gọi là năng lượng liên kết. Nếu các hạt va chạm và đẩy nhau, nghĩa là nếu chúng ở một khoảng cách nhỏ hơn khoảng cách cân bằng, thì công của sự gián đoạn tất nhiên sẽ nhỏ hơn.

Một đường cong năng lượng tương tác điển hình được thể hiện trên Hình 2. Tất cả các đường cong đều có đặc điểm này. Nhưng với những mục đích cụ thể, bạn cần biết các thông số của đường cong. Trước hết nó quan trọng

*) Xem bài viết của G. Ya. Myakishev “Tương tác giữa nguyên tử và phân tử”, «Kvant» Số 11, 1971.

**) Từ đường cong năng lượng tương tác, bạn cũng có thể tìm thấy lực: giấc ngủ có giá trị bằng tiếp tuyến của góc nghiêng của tiếp tuyến với đường cong năng lượng tương tác.

22

hydro - hydro và carbon - hydro.

Tôi có thể lấy thông tin về những đường cong này ở đâu? Thật không may, không có cách lý thuyết nào để rút ra chúng. Đường cong năng lượng phải được xác định từ kinh nghiệm. Vì việc lựa chọn các đường cong cần thiết là một phép toán trọng lượng điển hình cho nhiều lĩnh vực vật lý nên chúng ta sẽ mô tả công việc thú vị này một cách chi tiết hơn.

Khi nghiên cứu, bắt đầu từ đầu, trước hết người ta phải ước tính, ít nhất là đại khái, các thông số của đường cong. Từ kinh nghiệm, chúng ta biết khoảng cách gần mà tại đó các nguyên tử của các phân tử lân cận tiếp cận nhau. Xem xét kỹ những dữ liệu này, chúng tôi phát hiện ra rằng hai nguyên tử hydro không ở gần nhau hơn khoảng cách 2-3 angstrom, hai nguyên tử carbon của các phân tử khác nhau không ở gần nhau hơn 3-4 angstrom, v.v. Những dữ liệu này được lấy từ các nghiên cứu về chất rắn. các phân tử trong chất rắn có nhiều độ dốc tương tác nhớt. Do đó, chúng tôi nghĩ rằng khoảng cách cân bằng trên các đường cong tương tác nguyên tử-nguyên tử tương ứng sẽ lớn hơn một chút so với các số liệu trên. Dựa trên một số báo cáo gián tiếp, rõ ràng mức vượt quá này phải là 10%. Do đó, để bắt đầu, bạn có thể chọn trục hoành của cực tiểu trên các đường cong mà chúng ta đang thảo luận làm ví dụ tại các điểm 2,6 và 3,8 angstrom.

Thông tin về năng lượng liên kết, tức là về độ sâu của đường cong năng lượng, phải được “trích xuất” từ dữ liệu về nhiệt bay hơi. Ví dụ, ở áp suất thấp một chất rắn sẽ bay hơi. Nhiệt của sự biến đổi pha này có thể được đo khá chính xác. Nhiệt lượng tỏa ra khi tinh thể bay hơi được sử dụng để phân tán các phân tử của nó trên một khoảng cách xa. Với một số hiệu chỉnh mà chúng ta sẽ không đề cập đến, phép đo nhiệt bay hơi sẽ đưa chúng ta đến giá trị năng lượng tương tác của tất cả các phân tử.

Tất nhiên, tình hình không đơn giản lắm - tổng giá trị thay đổi, nhưng cần phải đánh giá những cái yếu hơn. Các chất hydrocarbon gồm các phân tử chứa 10-20 nguyên tử, có nhiệt bay hơi 10-20 kcal/mol. Nếu chúng ta giả sử rằng sự tương tác giữa các phân tử kết nối đóng vai trò chính, thì con số này cộng lại sẽ lên tới hàng nghìn tương tác nguyên tử-nguyên tử. Điều này có nghĩa là độ sâu của giếng đường cong phải ở mức 0,01 kcal/mol.

Do đó, người ta đạt được ước tính gần đúng về các tham số của đường cong năng lượng của tương tác nguyên tử-nguyên tử và với sự trợ giúp của chúng, xây dựng các đường cong gần đúng đầu tiên; Sau đó, họ tính toán (đây là lúc cần đến máy tính) tính chất của một số lượng lớn các chất và so sánh kết quả tính toán với kinh nghiệm. Nó trở nên rất cần thiết để thực hiện một số sửa đổi nhất định. Các hành động diễn ra tuần tự, thử và sai (các nhà vật lý nói như vậy - làm việc bằng thử và sai), cuối cùng chúng ta đi đến đường cong tương tác nguyên tử-nguyên tử tối ưu cho nhiều cặp nguyên tử.

Nhìn chung, việc tính toán rất phức tạp và giả thuyết aditivity chỉ mới được nghiên cứu gần đây. Kết quả hóa ra là tích cực. Hóa ra giả định được thực hiện với độ chính xác tốt.

Trước đó không rõ lắm rằng công việc sẽ thành công. Nếu giả thuyết này không công bằng, nếu tính thuận nghịch không hoạt động, nếu các nguyên tử cùng loại hóa học chứa trong các phân tử khác nhau không hành xử giống nhau, thì máy tính sẽ cho chúng ta biết rằng nó không thể chọn các đường cong để chúng đưa ra các con số, ít nhất là theo những cách trùng khớp với kinh nghiệm. Ví dụ, công việc thành công trong việc điều chỉnh các đường cong cho thấy các giả thuyết làm cơ sở cho phép tính là hợp lệ.

Sau khi chứng minh được tính đúng đắn của cách biểu diễn cộng năng lượng tương tác của các phân tử, chúng tôi cung cấp cơ sở cho khái niệm về dạng phân tử.

Sau khi xây dựng được “bộ xương” của một phân tử dựa trên dữ liệu thực nghiệm, chúng ta có thể “mặc” nó