Molekül

Für andere Verwendungen siehe Molekül (Disambiguierung).
Rasterkraftmikroskopie (AFM) Bild von a PTCDA Molekül, bei dem die fünf sechs Kohlenstoffringe sichtbar sind.[1]
A Rastertunnelmikroskopie Bild von Pentacene Moleküle, die aus linearen Ketten von fünf Kohlenstoffringen bestehen.[2]
AFM-Bild von 1,5,9-Trioxo-13-Azatriangulen und seiner chemischen Struktur.[3]

A Molekül ist eine Gruppe von zwei oder mehr Atome von attraktiven Kräften zusammengehalten chemische Bindungen; Abhängig vom Kontext kann der Begriff möglicherweise enthalten sein oder nicht Ionen die dieses Kriterium befriedigen.[4][5][6][7][8] Im Quantenphysik, organische Chemie, und BiochemieDie Unterscheidung von Ionen wird fallen gelassen und Molekül wird oft verwendet, wenn man sich auf bezieht Polyatomionen.

In dem kinetische Gasentheorie, der Begriff Molekül wird oft für Gas verwendet Partikel Unabhängig von seiner Komposition. Dies entspannt die Anforderung, dass ein Molekül zwei oder mehr Atome enthält, da die Edelgase sind einzelne Atome.[9]

Ein Molekül kann sein homonukleardas heißt, es besteht aus Atomen von einem Chemisches Element, z.B. zwei Atome in der Sauerstoff Molekül (o2); oder es kann sein heteronuklear, a chemische Verbindung besteht aus mehr als einem Element, z. Wasser (zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom; H; H.2Ö).

Atome und Komplexe, die durch verbunden sind durch Nichtkovalente Wechselwirkungen, wie zum Beispiel Wasserstoffbrücken oder ionische Bindungenwerden typischerweise nicht als einzelne Moleküle angesehen.[10]

Moleküle als Komponenten der Materie sind häufig. Sie machen auch die meisten Ozeane und Atmosphäre aus. Die meisten organisch Substanzen sind Moleküle. Die Substanzen des Lebens sind Moleküle, z. Proteine, die die Aminosäuren, aus denen sie bestehen, die Nukleinsäuren (DNA und RNA), Zucker, Kohlenhydrate, Fette und Vitamine. Die Nährstoffmineralien sind im Allgemeinen ionische Verbindungen, daher sind sie keine Moleküle, z. Eisensulfat.

Die Mehrheit der vertrauten festen Substanzen auf der Erde wird jedoch teilweise oder vollständig aus Kristallen oder ionischen Verbindungen hergestellt, die nicht aus Molekülen bestehen. Dazu gehören alle Mineralien, die die Substanz der Erde, Sand, Ton, Kieselsteine, Steine, Felsbrocken, ausmachen, Grundgestein, das geschmolzenes Interieur, und die Kern der Erde. Alle diese enthalten viele chemische Bindungen, sind aber nicht aus identifizierbaren Molekülen.

Es kann kein typisches Molekül definiert werden Salze Noch für Kovalente Kristalle, obwohl diese oft aus Wiederholung bestehen Einheitszellen das erstreckt sich entweder in a Flugzeug, z.B. Graphen; oder dreidimensional, z. Diamant, Quarz, Natriumchlorid. Das Thema der wiederholten Einheiten-zellulären Struktur gilt auch für die meisten Metalle, bei denen es sich um kondensierte Phasen handelt Metallische Bindung. Somit bestehen nicht aus Molekülen feste Metalle.

Im BrilleDie Atome werden durch chemische Bindungen zusammengehalten, ohne dass ein definierbares Molekül oder die Regelmäßigkeit der Wiederholungseinheit-zelluläre Struktur, die Salze, kovalente Kristalle und Metalle charakterisiert, durch chemische Bindungen zusammengehalten werden.

Molekulare Wissenschaft

Die Wissenschaft der Moleküle heißt Molekulare Chemie oder Molekulare Physik, je nachdem, ob der Fokus auf Chemie oder Physik liegt. Die molekulare Chemie befasst sich mit den Gesetzen, die die Wechselwirkung zwischen Molekülen regeln, die zur Bildung und zum Bruch von chemische Bindungen, während sich die molekulare Physik mit den Gesetzen befasst, die ihre Struktur und Eigenschaften regeln. In der Praxis ist diese Unterscheidung jedoch vage. In Molecular Sciences besteht ein Molekül aus einem stabilen System (gebundener Zustand) bestehen aus zwei oder mehr Atome. Polyatomionen kann manchmal nützlich als elektrisch geladene Moleküle betrachtet werden. Der Begriff instabiles Molekül wird für sehr verwendet reaktiv Spezies, d. h. kurzlebige Baugruppen (Resonanzen) von Elektronen und Kerne, wie zum Beispiel Radikale, molekular Ionen, Rydberg -Moleküle, transition states, Van der Waals -Komplexe, oder Systeme kollidierender Atome wie in Bose -Einstein -Kondensat.

Geschichte und Etymologie

Hauptartikel: Geschichte der molekularen Theorie

Entsprechend Merriam-Webster und die Online -Etymologie -WörterbuchDas Wort "Molekül" leitet sich aus dem ab Latein "Maulwürfe"oder kleine Masseneinheit.

  • Molekül (1794) - "Extrem Minutenpartikel", aus Französisch Molekül (1678), von Neues Latein Molekula, Diminutive des Lateins Maulwürfe "Masse, Barriere". Zunächst eine vage Bedeutung; Die Mode für das Wort (verwendet bis zum späten 18. Jahrhundert nur in lateinischer Form) kann auf die Philosophie von zurückgeführt werden Descartes.[11][12]

Die Definition des Moleküls hat sich entwickelt, als die Kenntnis der Struktur von Molekülen zugenommen hat. Frühere Definitionen waren weniger präzise und definieren Moleküle als die kleinsten Partikel von rein Chemikalien das behält ihre immer noch ihre Komposition und chemische Eigenschaften.[13] Diese Definition bricht oft zusammen, da viele Substanzen in gewöhnlicher Erfahrung wie z. Felsen, Salze, und Metalle, bestehen aus großen kristallinen Netzwerken von chemisch gebunden Atome oder Ionen, aber nicht aus diskreten Molekülen.

Verbindung

Moleküle werden im Allgemeinen von zusammengehalten durch kovalente Bindung. Mehrere nichtmetallische Elemente existieren nur als Moleküle in der Umgebung entweder in Verbindungen oder als homonukleäre Moleküle, nicht als freie Atome: zum Beispiel Wasserstoff.

Während einige Leute sagen, dass ein metallischer Kristall ein einzelnes Riesenmolekül angesehen werden kann Metallische Bindung,[14] Andere weisen darauf hin, dass sich Metalle sehr unterschiedlich verhalten als Moleküle.[15]

Kovalent

Eine kovalente Bindung, die h bildet2 (rechts) wo zwei Wasserstoffatome Teilen Sie die beiden Elektronen
Hauptartikel: Kovalente Bindung

Eine kovalente Bindung ist a chemische Bindung das beinhaltet das Teilen von Elektronenpaare zwischen Atome. Diese Elektronenpaare werden bezeichnet gemeinsame Paare oder Bindungspaareund das stabile Gleichgewicht der attraktiven und abstoßenden Kräfte zwischen Atomen, wenn sie Elektronen teilen, wird bezeichnet kovalente Bindung.[16]

Ionisch

Hauptartikel: Ionische Bindung
Natrium und Fluor eine Redoxreaktion auf Form unterziehen Natriumfluorid. Natrium verliert sein äußeres Elektron um es stabil zu geben Elektronenkonfigurationund dieses Elektron tritt in das Fluoratom ein exothermisch.

Ionische Bindung ist eine Art von Art von chemische Bindung das beinhaltet das elektrostatisch Anziehungskraft zwischen Gegensätzlich aufgeladen Ionenund ist die primäre Wechselwirkung, die in auftritt ionische Verbindungen. Die Ionen sind Atome, die einen oder mehrere verloren haben Elektronen (bezeichnet Kationen) und Atome, die ein oder mehrere Elektronen gewonnen haben (bezeichnet Anionen).[17] Diese Übertragung von Elektronen wird bezeichnet Elektrovalenz im Kontrast zu Kovalenz. Im einfachsten Fall ist das Kation a Metall Atom und das Anion ist a Nichtmetal Atom, aber diese Ionen können komplizierter sein, z. Molekülionen wie NH4+ oder so42–. Bei normalen Temperaturen und Drücken erzeugt die Ionenbindung hauptsächlich Feststoffe (oder gelegentlich Flüssigkeiten) ohne separate identifizierbare Moleküle, aber die Verdampfung/Sublimation solcher Materialien erzeugt getrennte Moleküle, bei denen Elektronen immer noch vollständig genug übertragen werden, damit die Bindungen eher als ionisch als ionisch als kovalent betrachtet werden, und produzieren .

Molekulargröße

Die meisten Moleküle sind viel zu klein, um mit bloßem Auge zu sehen, obwohl Moleküle vieler Polymere kann erreichen makroskopisch Größen, einschließlich Biopolymere wie zum Beispiel DNA. Moleküle, die üblicherweise als Bausteine ​​für die organische Synthese verwendet werden Angstrome (Å) zu mehreren Dutzend Å oder etwa einer Milliarden Meter. Einzelmoleküle können normalerweise nicht beobachtet werden hell (Wie oben erwähnt), aber kleine Moleküle und sogar die Umrisse einzelner Atome können unter Verwendung eines unter bestimmten Umständen verfolgt werden Atomkraftmikroskop. Einige der größten Moleküle sind Makromoleküle oder Supermoleküle.

Das kleinste Molekül ist das Diatom Wasserstoff (H2) mit einer Bindungslänge von 0,74 Å.[18]

Effektiver Molekularradius ist die Größe, die ein Molekül in Lösung zeigt.[19][20] Das Tabelle der Permselektivität für verschiedene Substanzen Enthält Beispiele.

Molekulare Formeln

Chemische Formel -Typen

Hauptartikel: Chemische Formel

Das chemische Formel Für ein Molekül verwendet eine Zeile von Chemisches Element Symbole, Zahlen und manchmal auch andere Symbole wie Klammern, Striche, Klammern und Plus (+) und Minus- ( -) Zeichen. Diese sind auf eine typografische Symbole beschränkt, die Einschreibungen und Superscripts umfassen kann.

Ein Verbindung empirische Formel ist eine sehr einfache Art der chemischen Formel.[21] Es ist das einfachste ganze Zahl Verhältnis des chemische Elemente das bildet es.[22] Zum Beispiel besteht Wasser immer aus einem 2: 1 -Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff Atome und Ethanol (Ethylalkohol) besteht immer aus Kohlenstoff, Wasserstoff, und Sauerstoff in einem Verhältnis von 2: 6: 1. Dies bestimmt jedoch nicht die Art des Moleküls eindeutig - dimethylether hat zum Beispiel die gleichen Verhältnisse wie Ethanol. Moleküle mit dem gleichen Atome In verschiedenen Arrangements werden genannt Isomere. Auch Kohlenhydrate haben beispielsweise das gleiche Verhältnis (Kohlenstoff: Wasserstoff: Sauerstoff = 1: 2: 1) (und damit die gleiche empirische Formel), aber eine unterschiedliche Gesamtzahl der Atome im Molekül.

Das Molekularformel spiegelt die genaue Anzahl der Atome wider, aus denen das Molekül zusammengestellt wird, und charakterisiert so unterschiedliche Moleküle. Unterschiedliche Isomere können jedoch die gleiche Atomzusammensetzung haben und gleichzeitig unterschiedliche Moleküle sind.

Die empirische Formel ist oft die gleiche wie die molekulare Formel, aber nicht immer. Zum Beispiel das Molekül Acetylen hat molekulare Formel C.2H2, aber das einfachste Ganzzahlverhältnis von Elementen ist ch.

Das molekulare Masse kann aus dem berechnet werden chemische Formel und wird konventionell ausgedrückt Atommasseneinheiten gleich 1/12 der Masse eines neutralen Carbon-12 (12C Isotop) Atom. Zum Netzwerkfeststoffe, der Begriff Formeleinheit wird in verwendet stöchiometrisch Berechnungen.

Strukturformel

3d (links und Mitte) und 2d (rechts) Darstellungen der Terpenoid Molekül Atisane
Hauptartikel: Strukturformel

Für Moleküle mit einer komplizierten 3-dimensionalen Struktur, insbesondere mit Atomen, die an vier verschiedene Substituenten, eine einfache molekulare Formel oder sogar halbstruktural gebunden sind chemische Formel Möglicherweise reichen nicht aus, um das Molekül vollständig anzugeben. In diesem Fall eine grafische Art von Formel, die als a genannt wird Strukturformel kann benötigt werden. Strukturformeln können wiederum mit einem eindimensionalen chemischen Namen dargestellt werden, aber so Chemische Nomenklatur Erfordert viele Wörter und Begriffe, die nicht Teil chemischer Formeln sind.

Molekulargeometrie

Hauptartikel: Molekulargeometrie
Struktur und Stm Bild eines "Cyanostars" Dendrimer Molekül.[23]

Moleküle haben festgelegt Gleichgewicht Geometrien - Bondlängen und Winkel -, über die sie kontinuierlich durch Schwingungs- und Rotationsbewegungen schwingen. Eine reine Substanz besteht aus Molekülen mit derselben durchschnittlichen geometrischen Struktur. Die chemische Formel und die Struktur eines Moleküls sind die beiden wichtigen Faktoren, die ihre Eigenschaften bestimmen, insbesondere deren Reaktivität. Isomere Teilen Sie eine chemische Formel, haben jedoch aufgrund ihrer unterschiedlichen Strukturen normalerweise sehr unterschiedliche Eigenschaften. Stereoisomere, eine bestimmte Art von Isomer, kann sehr ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften und gleichzeitig unterschiedlich sein Biochemisch Aktivitäten.

Molekülspektroskopie

Hauptartikel: Spektroskopie
Wasserstoff kann aus Individuum entfernt werden H2TPP Moleküle durch Auftragen von überschüssiger Spannung auf die Spitze von a Rastertunnelmikroskop (Stm, a); Diese Entfernung verändert die Stromspannungskurven (I-V) -Kurven von TPP-Molekülen, gemessen mit derselben STM-Spitze, von Diode wie (rote Kurve in b) zu Widerstand wie (grüne Kurve). Bild (c) zeigt eine Reihe von TPP, h2TPP- und TPP -Moleküle. Während des Scannenbildes (D) wurde über h überschüssige Spannung auf H angewendet2TPP am schwarzen Punkt, der Wasserstoff sofort entfernte, wie im unteren Teil von (d) und im Rescan -Bild (E) gezeigt. Solche Manipulationen können in verwendet werden Einzelmolekül-Elektronik.[24]

Molekülspektroskopie befasst sich mit der Antwort (Spektrum) von Molekülen, die mit Untersuchungssignalen von Bekannten interagieren Energie (oder Frequenz, entsprechend Plancks Formel). Moleküle haben quantisierte Energieniveaus, die durch Nachweis des Energieaustauschs des Moleküls durch analysiert werden können Absorption oder Emission.[25] Die Spektroskopie bezieht sich im Allgemeinen nicht auf Beugung Studien, wo Partikel wie Neutronen, Elektronenoder hohe Energie Röntgenaufnahmen Interagieren Sie mit einer regelmäßigen Anordnung von Molekülen (wie in einem Kristall).

Mikrowellenspektroskopie Misst häufig Veränderungen in der Rotation von Molekülen und können verwendet werden, um Moleküle im Weltraum zu identifizieren. Infrarot-Spektroskopie misst die Schwingung von Molekülen, einschließlich Dehnung, Biegung oder Verdrehen. Es wird häufig verwendet, um die Arten von Bindungen zu identifizieren oder funktionelle Gruppen in Molekülen. Änderungen der Anordnungen von Elektronen ergeben Absorptions- oder Emissionsleitungen in ultraviolett, sichtbar oder Nah-Infrarot Licht und führen zu Farbe. Kernresonanzspektroskopie misst die Umgebung bestimmter Kerne im Molekül und kann verwendet werden, um die Anzahl von Atomen in verschiedenen Positionen in einem Molekül zu charakterisieren.

Theoretische Aspekte

Die Untersuchung von Molekülen durch Molekulare Physik und Theoretische Chemie basiert weitgehend auf Quantenmechanik und ist wichtig für das Verständnis der chemische Bindung. Das einfachste von Molekülen ist das Wasserstoffmolekül Ionen, H2+und der einfachste aller chemischen Bindungen ist die Ein-Elektronen-Bindung. H2+ besteht aus zwei positiv geladenen Protonen und einer negativ geladen Elektronwas bedeutet, dass die Schrödinger Gleichung Denn das System kann aufgrund des Mangels an Elektron -Elektronen -Abstoßung leichter gelöst werden. Mit der Entwicklung schneller digitaler Computer wurden ungefähre Lösungen für kompliziertere Moleküle möglich und sind einer der Hauptaspekte von Computerchemie.

Beim Versuch, rigoros zu definieren, ob eine Anordnung von Atomen ist ausreichend stabil Um als Molekül betrachtet zu werden, schlägt IUPAC vor, dass es "einer Depression auf dem entsprechen muss potentielle Energieoberfläche Das ist tief genug, um mindestens einen Schwingungszustand einzuschränken ".[4] Diese Definition hängt nicht von der Art der Wechselwirkung zwischen den Atomen ab, sondern nur von der Stärke der Wechselwirkung. Tatsächlich umfasst es schwach gebundene Arten, die traditionell nicht als Moleküle betrachtet werden, wie sie Helium Dimer, Er2, was eine Schwingung hat gebundener Zustand[26] und ist so locker gebunden, dass es wahrscheinlich nur bei sehr niedrigen Temperaturen beobachtet wird.

Ob eine Anordnung von Atomen ist oder nicht ist ausreichend stabil Als Molekül betrachtet zu werden, ist von Natur aus eine operative Definition. Philosophisch ist daher ein Molekül keine grundlegende Einheit (dagegen zum Beispiel zu einer Elementarteilchen); Das Konzept eines Moleküls ist vielmehr die Art und Weise, wie der Chemiker eine nützliche Aussage über die Stärken von Wechselwirkungen zwischen atomarem Maßstab in der Welt abgibt, die wir beobachten.

Siehe auch

Verweise

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Externe Links