Молекула дегеніміз не және ол қалай құрылады

Бізді қоршағанның бәрі — ауа, су, тастар, тірі ағзалар — көзге көрінбейтін өте ұсақ бөлшектерден тұрады және олар біз үйренген әлемнен мүлде өзгеше заңдарға бағынады. Заттың молекулалық деңгейдегі құрылысын түсіну ғылымның ең ірі жетістіктерінің бірі болды — дәл осы түсінік судың неге отты өшіретінін, тұздың неге онда еритінін, ал майдың ерімейтінін және тірі ағзалардың қалай өсіп, көбейетінін түсіндіруге мүмкіндік берді. Молекула осы әлем көрінісіндегі негізгі бірліктердің бірі болып табылады — дәл осы деңгейде заттың химиялық қасиеттері анық әрі тұрақты болады. Молекуланың құрылымын түсіну — химияны ғылым ретінде және табиғатты атомдардың өзара әрекеттесу заңдарына бағынатын жүйе ретінде түсінудің алғашқы қадамы.

Молекуланың анықтамасы — бұл не

Молекула — заттың барлық химиялық қасиеттерін сақтайтын ең кіші бөлшек. Дәл осы анықтама молекуланы атомнан — оны құрайтын құрылымдық «кірпіштен» — ажыратады.

Айырмашылықты түсіну үшін қарапайым мысал жеткілікті. Су молекуласы екі сутек атомынан және бір оттек атомынан тұрады. Жеке оттек атомы — жануды қолдайтын газ, ал сутек атомы — жеңіл әрі жарылғыш газ. Алайда су молекуласының құрамында бұл екі элемент те өздерінің бастапқы қасиеттерін жоғалтып, бірге отты өшіре алатын зат түзеді. Дәл осы өзгеріс молекулалық деңгейдегі ұйымдасудың мәнін көрсетеді — тұтас құрылым оны құрайтын бөліктердің жай қосындысынан сапалық тұрғыдан өзгеше.

Молекулалар бірнеше негізгі параметр бойынша ерекшеленеді:

• атомдар саны бойынша — екі атомды молекулалардан бастап, миллиондаған атомдары бар алып биополимерлерге дейін;
• құрамы бойынша — бір элементтен тұратын молекулалар және бірнеше элемент атомдарынан тұратын молекулалар;
• пішіні бойынша — сызықтық, бұрыштық, тетраэдрлік, жазық және басқа да кеңістіктік конфигурациялар;
• полярлығы бойынша — симметриялы молекулалар электрлік бейтарап болса, асимметриялы молекулаларда оң және теріс полюстер болады.

Осы сипаттамалардың жиынтығы молекуланың химиялық реакцияларда қалай әрекет ететінін, басқа молекулалармен қалай өзара әсерлесетінін және одан құралған заттың қандай физикалық қасиеттерге ие болатынын анықтайды.

Атомдар мен химиялық байланыстар — молекулалық құрылыстың негізі

Егер молекула — ғимарат болса, атомдар оның кірпіштері, ал химиялық байланыстар сол кірпіштерді біріктіретін «цемент» болып табылады. Молекуланың құрылымын түсіну үшін осы байланыстардың табиғатын түсіну қажет.

Атом оң зарядталған ядродан және оны қоршаған теріс зарядталған электрондар бұлтынан тұрады. Ең сыртқы электрондар — валенттік электрондар — басқа атомдармен химиялық байланыс түзуге қатысады. Дәл осы валенттік электрондардың өзара әрекеттесуі молекуланы біртұтас құрылым ретінде ұстап тұрады.

Молекулаларда кездесетін негізгі химиялық байланыс түрлері әртүрлі механизмдерге негізделген:

1. Коваленттік байланыс екі атом бір жұп электронды ортақ пайдаланғанда түзіледі — әрқайсысы бір электрон береді. Мұндай байланыс органикалық молекулалардың көпшілігіне тән. Мысалы, метан CH₄ молекуласында төрт сутек атомы көміртек атомымен төрт коваленттік байланыс арқылы байланысқан. Байланыс бір, екі немесе үштік болуы мүмкін.
2. Иондық байланыс бір атом электронды толық беріп, екінші атом оны қабылдағанда пайда болады, нәтижесінде қарама-қарсы зарядталған иондар түзіледі. Олардың арасындағы тартылыс оларды бірге ұстап тұрады — ас тұзы NaCl дәл осылай құрылған. Қатты күйде иондық қосылыстар қатаң түрде жеке молекулалар емес, кристалдық тор түзеді.
3. Металдық байланыс металдарға тән және оң зарядталған иондар арасында еркін қозғалатын электрондардың «теңізі» түрінде болады. Дәл осы байланыс металдардың электр өткізгіштігін түсіндіреді — еркін электрондар зарядты оңай тасымалдайды. Мысал ретінде мыс, темір және алтынды келтіруге болады.

Байланыстардың түрлерін түсінгеннен кейін келесі сұрақ туындайды — атомдар кеңістікте бір-біріне қатысты қалай орналасады.

Молекулалардың кеңістіктік құрылысы — пішіннің маңызы

Молекула — бұл жазық сурет емес, үшөлшемді объект, және оның пішіні оның барлық қасиеттеріне тікелей әсер етеді. Бірдей құрамдағы молекулалардың әртүрлі қасиеттерге ие болуы дәл осы кеңістіктік құрылыммен байланысты.

Молекуланың пішінін электрон жұптарының тебілу теориясы (VSEPR) анықтайды. Оның мәні қарапайым: орталық атомды қоршаған электрон жұптары бір-бірінен мүмкіндігінше алшақ орналасуға тырысады, осылайша өзара тебілуді азайтады. Бұл қағида молекуланың геометриясын анықтайды.

Кеңістіктік пішіндердің мысалдары:

• сызықтық пішін — CO₂ молекуласында көміртек атомы екі оттек атомының арасында 180 градус бұрышпен орналасқан;
• бұрыштық пішін — H₂O молекуласында сутек атомдары шамамен 104,5 градус бұрыш жасайды;
• тетраэдрлік пішін — CH₄ молекуласында төрт сутек атомы көміртек атомының айналасында кеңістікте орналасқан;
• пирамидалық пішін — NH₃ молекуласында азот атомы төбеде орналасқан үшбұрышты пирамидаға ұқсайды;
• жазық пішін — C₆H₆ молекуласында алты көміртек атомы бір жазықтықта дұрыс алтыбұрыш түзеді.

Молекула пішіні оның басқа молекулалармен қалай «түйісетінін» анықтайды, соның ішінде жасуша рецепторларымен. Сондықтан дәрілік молекулалар биологиялық нысандарға дәл сәйкес келетіндей етіп жобаланады. Биохимиядағы «құлып пен кілт» қағидасы осыған негізделген.

Молекулалардың өлшемдері — олар қаншалықты кішкентай

Молекулалар соншалықты кішкентай, оларды күнделікті өмірдегі заттармен салыстыру өте қиын. Дегенмен осындай салыстырулар олардың нақты ауқымын түсінуге көмектеседі.

Су молекуласының диаметрі шамамен 0,28 нанометр — бұл 0,00000000028 метр. Егер оны теннис добының көлеміне дейін үлкейтсек, онда теннис добы дәл сол пропорцияда Жердің көлеміне дейін ұлғаяр еді. Көлемі шамамен 0,05 миллилитр болатын бір тамшы суда шамамен 1,67 × 10²¹ молекула бар — бұл бақыланатын Ғаламдағы жұлдыздар санынан да көп.

Молекулалардың өлшемдері олардың күрделілігіне байланысты айтарлықтай өзгереді:

• сутек молекуласы H₂ — ең кішкентайлардың бірі, шамамен 0,12 нанометр;
• адам ДНҚ молекуласы созылған күйде шамамен 2 метр ұзындыққа жетеді;
• гемоглобин молекуласы шамамен 10 000 атомнан тұрады және диаметрі шамамен 6 нанометр;
• кейбір синтетикалық полимерлер көзге көрінетін жіптер немесе қабықшалар түрінде болуы мүмкін.

Бұл орасан ауқым — ең қарапайым екі атомды газдардан бастап миллиондаған атомдары бар биополимерлерге дейін — химиялық әлемнің алуан түрлілігін көрсетеді. Кішкентай су молекуласы мен алып ДНҚ молекуласы бірдей химиялық заңдарға бағынады, бірақ оларды әртүрлі деңгейде жүзеге асырады.

Молекулалардың қозғалысы — олар ешқашан тоқтамайды

Молекулалардың ең маңызды қасиеттерінің бірі — олардың үздіксіз қозғалысы. Тіпті толықтай тыныш көрінетін қатты денеде де молекулалар өз тепе-теңдік күйінің айналасында үнемі тербеліп тұрады.

Бұл қозғалыстың қарқындылығы температурамен тікелей байланысты — температура заттағы молекулалардың орташа кинетикалық энергиясының өлшемі болып табылады. Қыздырғанда молекулалар жылдамырақ қозғалады, салқындағанда — баяулайды. Абсолюттік нөл — минус 273,15 градус Цельсий — молекулалық қозғалыстың теориялық ең төменгі шегі.

Молекулалық қозғалыстың сипаты заттың агрегаттық күйін анықтайды:

• газдарда молекулалар ретсіз және тәуелсіз қозғалады, бір-бірімен дерлік әрекеттеспейді, сондықтан газ кез келген көлемді толтырады;
• сұйықтарда молекулалар үнемі жанасып тұрады, бірақ бір-біріне қатысты еркін қозғалады, бұл ағындылықты қамтамасыз етеді;
• қатты денелерде молекулалар белгілі орындарда бекітіліп, тек тербеледі, бұл затқа пішін мен қаттылық береді.

Дәл осы қозғалыс диффузияны түсіндіреді — заттардың сыртқы әсерсіз өздігінен араласуы. Мысалы, бөлмеде әтір шашылғанда, оның молекулалары бүкіл кеңістікке өздігінен таралады.

Тірі табиғаттағы молекулалар — биомолекулалар

Молекулалар әлемінде ерекше орын алатын топ — тірі ағзаларды құрайтын биологиялық молекулалар. Олар күрделілігімен және дәл ұйымдасуымен ерекшеленеді.

Жердегі тіршілік көміртек химиясына негізделген — көміртек атомдарының ұзын тізбектер мен тармақталған құрылымдар түзе алу қабілетіне. Дәл осы қасиет биологиялық функцияларды жүзеге асыратын күрделі молекулаларды құруға мүмкіндік береді.

Тіршіліктің негізін құрайтын төрт негізгі биомолекула класы бар:

1. Ақуыздар — аминқышқылдарынан құралған полимерлік молекулалар — жасушаның негізгі «жұмыс істейтін» молекулалары болып табылады. Кейбір ақуыздар құрылымдық қызмет атқарады — мысалы, терідегі коллаген немесе шаштағы кератин, ал басқалары ферменттер ретінде химиялық реакцияларды мыңдаған және миллиондаған есе жылдамдатады. Ақуыздың кеңістіктік пішіні оның қызметін анықтайды, және пішіннің аз ғана өзгеруі оны жұмысқа жарамсыз етуі мүмкін.
2. Нуклеин қышқылдары — ДНҚ мен РНҚ — генетикалық ақпаратты сақтайды және жүзеге асырады. ДНҚ молекуласы екі комплементарлық тізбектен тұратын қос спираль болып табылады, онда негіздердің реттілігі ағзаны құруға арналған барлық нұсқауларды кодтайды. Адам жасушасындағы ДНҚ ұзындығы шамамен 2 метр болса да, ол диаметрі шамамен 6 микрометр болатын ядроға тығыз оралған.
3. Көмірсулар — қарапайым қанттардан бастап полисахаридтерге дейін — энергия және құрылымдық қызмет атқарады. Глюкоза C₆H₁₂O₆ — жасушалық метаболизмнің негізгі энергия көзі, ал целлюлоза — сол глюкозаның полимері — өсімдіктердің берік жасуша қабырғаларын түзеді. Бірдей мономерге қарамастан, қасиеттердің айырмашылығы байланыс түрлерінің әртүрлі болуына байланысты.
4. Липидтер — майлар мен май тәрізді заттар — жасуша мембраналарын түзеді және ұзақ мерзімді энергия қоры ретінде қызмет етеді. Фосфолипид молекуласының бір бөлігі суды тартады, ал екінші бөлігі судан қашады. Осы қасиет олардың өздігінен екі қабатты құрылым түзуіне әкеледі — бұл кез келген жасуша мембранасының негізі.

Биомолекулалар молекулалық деңгейдің тіршіліктің іргетасы екенін айқын көрсетеді — біз «тірі» деп атайтын барлық процестер түптеп келгенде химиялық заңдарға бағынатын молекулалардың өзара әрекеттесуінен тұрады.

Молекуланы химиялық ұйымдасудың негізгі бірлігі ретінде түсіну бізге бәрін — заттардың физикалық қасиеттерінен бастап тұқымқуалаушылық механизмдеріне және дәрілердің әрекет ету принциптеріне дейін — түсіндіруге мүмкіндік береді. Қазіргі ғылым жеке молекулаларды туннельдік микроскоптардың көмегімен бақылап қана қоймай, алдын ала берілген қасиеттері бар жаңа молекулалық құрылымдарды мақсатты түрде құрастыра алады. Молекулалық инженерия — молекулалардың мінез-құлқын басқару арқылы материалдар, дәрілер және құрылғылар жасау — XXI ғасыр ғылымының ең перспективалы бағыттарының бірі болып табылады, ол медицинада, энергетикада және өндірісте түбегейлі өзгерістерге алып келуі мүмкін.