Молекула является электрически нейтральная группа из двух или более атомов , удерживаемых вместе химическими связями . [4] [5] [6] [7] [8] Молекулы отличаются от ионов отсутствием электрического заряда .
В квантовой физике , органической химии и биохимии отличие от ионов опускается, а слово «молекула» часто используется, когда речь идет о многоатомных ионах .
В кинетической теории газов термин « молекула» часто используется для обозначения любой газовой частицы независимо от ее состава. Это нарушает определение, что молекула содержит два или более атомов, поскольку благородные газы являются отдельными атомами. [9]
Молекула может быть гомоядерной , то есть состоять из атомов одного химического элемента , как из двух атомов в молекуле кислорода (O 2 ); или он может быть гетероядерным , химическим соединением, состоящим из более чем одного элемента, как в случае с водой (два атома водорода и один атом кислорода; H 2 O).
Атомы и комплексы, связанные нековалентными взаимодействиями , такими как водородные или ионные связи , обычно не считаются одиночными молекулами. [10]
Молекулы как компоненты материи обычны. Они также составляют большую часть океанов и атмосферы. Большинство органических веществ представляют собой молекулы. Вещества жизни - это молекулы, например белки, аминокислоты, из которых они состоят, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), сахара, углеводы, жиры и витамины. Питательные минералы обычно не являются молекулами, например сульфатом железа.
Однако большинство известных нам твердых веществ на Земле не состоит из молекул. К ним относятся все минералы, из которых состоит вещество Земли, почва, грязь, песок, глина, галька, камни, валуны, коренные породы , расплавленные недра и ядро Земли . Все они содержат много химических связей, но не состоят из идентифицируемых молекул.
Никакая типичная молекула не может быть определена ни для солей, ни для ковалентных кристаллов , хотя они часто состоят из повторяющихся элементарных ячеек, которые простираются либо в плоскости , например, графена ; или трехмерно, например алмаз , кварц , хлорид натрия . Тема повторяющейся элементарной ячеистой структуры также актуальна для большинства металлов, которые представляют собой конденсированные фазы с металлическими связями . Таким образом, твердые металлы не состоят из молекул.
В стеклах , которые представляют собой твердые тела, находящиеся в неупорядоченном стекловидном состоянии, атомы удерживаются вместе химическими связями без присутствия какой-либо определяемой молекулы или какой-либо регулярности повторяющейся элементарной ячеистой структуры, которая характерна для солей, ковалентных кристаллов и металлы.
Молекулярная наука
Наука о молекулах называется молекулярной химией или молекулярной физикой , в зависимости от того, находится ли в центре внимания химия или физика. Молекулярная химия имеет дело с законами, управляющими взаимодействием между молекулами, которое приводит к образованию и разрыву химических связей , в то время как молекулярная физика имеет дело с законами, регулирующими их структуру и свойства. Однако на практике это различие нечеткое. В молекулярных науках молекула состоит из стабильной системы ( связанного состояния ), состоящей из двух или более атомов . Многоатомные ионы иногда можно рассматривать как электрически заряженные молекулы. Термин нестабильная молекула используется для очень реактивных частиц, то есть короткоживущих ансамблей ( резонансов ) электронов и ядер , таких как радикалы , молекулярные ионы , ридберговские молекулы , переходные состояния , ван-дер-ваальсовы комплексы или системы сталкивающихся атомов, как в Конденсат Бозе – Эйнштейна .
История и этимология
Согласно Merriam-Webster и Интернет-этимологическому словарю , слово «молекула» происходит от латинского « моль » или малая единица массы.
- Молекула (1794) - «чрезвычайно мелкие частицы», от французской Молекулы (1678), из Нью - латинской молекулы , уменьшительная от латинского моль «масса, барьерного». Сначала смутное значение; Мода на это слово (использовавшееся до конца 18 века только в латинской форме) восходит к философии Декарта . [11] [12]
Определение молекулы эволюционировало по мере расширения знаний о структуре молекул. Ранние определения были менее точными, определяя молекулы как мельчайшие частицы чистых химических веществ, которые все еще сохраняют свой состав и химические свойства. [13] Это определение часто нарушается, поскольку многие вещества в обычном опыте, такие как горные породы , соли и металлы , состоят из больших кристаллических сетей из химически связанных атомов или ионов , но не состоят из дискретных молекул.
Склеивание
Молекулы удерживаются вместе либо ковалентной связью, либо ионной связью . Некоторые типы неметаллических элементов существуют только в виде молекул в окружающей среде. Например, водород существует только в виде молекулы водорода. Молекула соединения состоит из двух или более элементов. [14] гомоядерная молекула выполнен из двух или более атомов одного элемента.
В то время как некоторые люди говорят , что металлический кристалл можно рассматривать как единую гигантскую молекулу скрепляются металлической связи , [15] другие указывают на то , что металлы действуют совсем иначе , чем молекулы. [16]
Ковалентный
Ковалентная связь - это химическая связь, которая включает обмен электронными парами между атомами . Эти электронные пары называются общими парами или связующими парами , а стабильный баланс сил притяжения и отталкивания между атомами, когда они разделяют электроны, называется ковалентной связью . [17]
Ионный
Ионная связь - это тип химической связи, которая включает электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами и является первичным взаимодействием, происходящим в ионных соединениях . Ионы - это атомы, потерявшие один или несколько электронов (называемые катионами ), и атомы, которые приобрели один или несколько электронов (называемые анионами ). [18] Этот перенос электронов называется электровалентностью в отличие от ковалентности . В простейшем случае катион представляет собой атом металла, а анион - атом неметалла , но эти ионы могут иметь более сложную природу, например, молекулярные ионы, такие как NH 4 + или SO 4 2– .
При нормальных температурах и давлениях ионная связь в основном создает твердые тела (или иногда жидкости) без отдельных идентифицируемых молекул, но испарение / сублимация таких материалов действительно производит небольшие отдельные молекулы, в которых электроны все еще переносятся достаточно полно, чтобы связи считались ионными, а не ковалентными. .
Размер молекулы
Большинство молекул слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, хотя молекулы многих полимеров могут достигать макроскопических размеров, включая биополимеры, такие как ДНК . Молекулы, обычно используемые в качестве строительных блоков для органического синтеза, имеют размер от нескольких ангстрем (Å) до нескольких десятков Å, или около одной миллиардной метра. Одиночные молекулы обычно нельзя наблюдать с помощью света (как отмечалось выше), но небольшие молекулы и даже очертания отдельных атомов в некоторых случаях можно проследить с помощью атомно-силового микроскопа . Некоторые из самых больших молекул - это макромолекулы или супермолекулы .
Самая маленькая молекула - двухатомный водород (H 2 ) с длиной связи 0,74 Å. [19]
Эффективный радиус молекулы - это размер молекулы в растворе. [20] [21] таблица селективную проницаемость для различных веществ содержит примеры.
Молекулярные формулы
Типы химических формул
В химической формуле молекулы используется одна строка символов химических элементов , чисел, а иногда и других символов, таких как круглые скобки, тире, скобки и знаки плюс (+) и минус (-). Они ограничены одной типографской строкой символов, которая может включать подстрочные и надстрочные индексы.
Эмпирическая формула соединения - это очень простой тип химической формулы. [22] Это простейшее целочисленное соотношение составляющих его химических элементов . [23] Например, вода всегда состоят из соотношении 2: 1 водорода к кислородным атомам, и этанол (этиловый спирт) всегда состоит из углерода , водорода и кислорода в соотношении 2: 1: 6. Однако это не определяет однозначно вид молекулы - диметиловый эфир имеет такие же соотношения, как, например, этанол. Молекулы с одинаковыми атомами в разном расположении называются изомерами . Также углеводы, например, имеют одинаковое соотношение (углерод: водород: кислород = 1: 2: 1) (и, следовательно, ту же эмпирическую формулу), но разное общее количество атомов в молекуле.
Молекулярная формула отражает точное число атомов, составляющих молекулу и так характеризует различные молекулы. Однако разные изомеры могут иметь одинаковый атомный состав, будучи разными молекулами.
Эмпирическая формула часто совпадает с молекулярной формулой, но не всегда. Например, молекула ацетилена имеет молекулярную формулу C 2 H 2 , но простейшее целочисленное соотношение элементов - CH.
Молекулярная масса может быть вычислена по химической формуле и выражается в обычных атомных единицах массы равна 1/12 массы нейтрального углерода-12 ( 12 С изотопом ) атом. Для сетевых тел в стехиометрических расчетах используется термин « формульная единица» .
Структурная формула
Для молекул со сложной трехмерной структурой, особенно с атомами, связанными с четырьмя различными заместителями, простой молекулярной формулы или даже полуструктурной химической формулы может быть недостаточно, чтобы полностью определить молекулу. В этом случае может потребоваться формула графического типа, называемая структурной формулой . Структурные формулы, в свою очередь, могут быть представлены одномерным химическим названием, но такая химическая номенклатура требует множества слов и терминов, которые не являются частью химических формул.
Молекулярная геометрия
Молекулы имеют фиксированную равновесную геометрию - длину связей и углы, вокруг которых они непрерывно колеблются посредством колебательных и вращательных движений. Чистое вещество состоит из молекул с одинаковой средней геометрической структурой. Химическая формула и структура молекулы - два важных фактора, которые определяют ее свойства, особенно ее реакционную способность . Изомеры имеют общую химическую формулу, но обычно имеют очень разные свойства из-за разной структуры. Стереоизомеры , особый тип изомеров, могут иметь очень похожие физико-химические свойства и в то же время различную биохимическую активность.
Молекулярная спектроскопия
Молекулярная спектроскопия имеет дело с откликом ( спектром ) молекул, взаимодействующих с зондирующими сигналами известной энергии (или частоты , согласно формуле Планка ). Молекулы имеют квантованные уровни энергии, которые можно анализировать, обнаруживая энергообмен молекулы через поглощение или излучение . [26] Спектроскопия обычно не относится к дифракционным исследованиям, в которых частицы, такие как нейтроны , электроны или рентгеновские лучи высокой энергии, взаимодействуют с регулярным расположением молекул (как в кристалле).
Микроволновая спектроскопия обычно измеряет изменения во вращении молекул и может использоваться для идентификации молекул в космическом пространстве. Инфракрасная спектроскопия измеряет колебания молекул, в том числе растягивающие, изгибающие или скручивающие движения. Он обычно используется для определения типов связей или функциональных групп в молекулах. Изменения в расположении электронов приводят к появлению линий поглощения или излучения в ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном свете и приводят к цвету. Спектроскопия ядерного резонанса измеряет окружение конкретных ядер в молекуле и может быть использована для характеристики количества атомов в различных положениях в молекуле.
Теоретические аспекты
Изучение молекул методами молекулярной физики и теоретической химии в значительной степени основано на квантовой механике и важно для понимания химической связи . Простейшей из молекул является ионная молекула водорода H 2 + , а самой простой из всех химических связей является одноэлектронная связь . H 2 + состоит из двух положительно заряженных протонов и одного отрицательно заряженного электрона , что означает, что уравнение Шредингера для системы может быть решено более легко из-за отсутствия электрон-электронного отталкивания. С развитием быстрых цифровых компьютеров приблизительные решения для более сложных молекул стали возможными и являются одним из основных аспектов вычислительной химии .
Пытаясь строго определить, достаточно ли стабильно расположение атомов, чтобы его можно было рассматривать в качестве молекулы, IUPAC предполагает, что оно «должно соответствовать углублению на поверхности потенциальной энергии, которое является достаточно глубоким, чтобы удерживать хотя бы одно колебательное состояние». [4] Это определение не зависит от характера взаимодействия между атомами, а только от силы взаимодействия. В самом деле, он включает в себя слабо связанные виды , которые не будут традиционно считаться молекулы, такие как гелий димера , He 2 , который имеет одну колебательную связанное состояние [27] , и настолько слабо связаны , что только вероятно, будет наблюдаться при очень низких температуры.
Является ли расположение атомов достаточно стабильным, чтобы его можно было рассматривать как молекулу, по сути является рабочим определением. Следовательно, с философской точки зрения молекула не является фундаментальной сущностью (в отличие, например, от элементарной частицы ); скорее, концепция молекулы - это способ химика сделать полезное заявление о силе взаимодействий на атомном уровне в мире, который мы наблюдаем.
Смотрите также
- Атом
- Химическая полярность
- Ковалентная связь
- Двухатомная молекула
- Список соединений
- Список межзвездных и околозвездных молекул
- Молекулярная биология
- Программное обеспечение для молекулярного дизайна
- Молекулярная инженерия
- Молекулярная геометрия
- Молекулярный гамильтониан
- Молекулярный ион
- Молекулярное моделирование
- Молекулярная распущенность
- Молекулярная орбиталь
- Нековалентное связывание
- Периодические системы малых молекул
- Малая молекула
- Сравнение программного обеспечения для моделирования молекулярной механики
- Молекула Ван-дер-Ваальса
- Всемирная молекулярная матрица
Рекомендации
- ^ Ивата, Кота; Ямазаки, Широ; Мутомбо, Пинго; Хапала, Прокоп; Ондрачек, Мартин; Елинек, Павел; Сугимото, Ёсиаки (2015). «Визуализация химической структуры одиночной молекулы с помощью атомно-силовой микроскопии при комнатной температуре» . Nature Communications . 6 : 7766. Bibcode : 2015NatCo ... 6.7766I . DOI : 10.1038 / ncomms8766 . PMC 4518281 . PMID 26178193 .
- ^ Dinca, LE; Де Марчи, Ф .; MacLeod, JM; Lipton-Duffin, J .; Gatti, R .; Без ума.; Перепичка, д.ф . ; Rosei, F. (2015). «Пентацен на Ni (111): молекулярная упаковка при комнатной температуре и преобразование в графен, активируемое температурой». Наноразмер . 7 (7): 3263–9. Bibcode : 2015Nanos ... 7.3263D . DOI : 10.1039 / C4NR07057G . PMID 25619890 .
- ^ Хапала, Прокоп; Швец, Мартин; Стецович Александр; Van Der Heijden, Nadine J .; Ондрачек, Мартин; Van Der Lit, Joost; Мутомбо, Пинго; Сварт, Ингмар; Елинек, Павел (2016). «Картирование электростатического силового поля отдельных молекул по сканирующим зондовым изображениям с высоким разрешением» . Nature Communications . 7 : 11560. Bibcode : 2016NatCo ... 711560H . DOI : 10.1038 / ncomms11560 . PMC 4894979 . PMID 27230940 .
- ^ a b ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Молекула ». DOI : 10,1351 / goldbook.M04002
- ^ Эббин, Даррелл Д. (1990). Общая химия (3-е изд.). Бостон: ISBN Houghton Mifflin Co. 978-0-395-43302-7.
- ^ Браун, TL; Кеннет К. Кемп; Теодор Л. Браун; Гарольд Юджин ЛеМэй; Брюс Эдвард Бурстен (2003). Химия - центральная наука (9-е изд.). Нью-Джерси: Прентис-Холл . ISBN 978-0-13-066997-1.
- ^ Чанг, Раймонд (1998). Химия (6-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу Хилл . ISBN 978-0-07-115221-1.
- ^ Зумдал, Стивен С. (1997). Химия (4-е изд.). Бостон: Хоутон Миффлин. ISBN 978-0-669-41794-4.
- ^ Чандра, Сулех (2005). Комплексная неорганическая химия . Издатели Нью Эйдж. ISBN 978-81-224-1512-4.
- ^ «Молекула» . Британская энциклопедия . 22 января 2016 . Проверено 23 февраля +2016 .
- ^ Харпер, Дуглас. «молекула» . Интернет-словарь этимологии . Проверено 22 февраля +2016 .
- ^ «молекула» . Мерриам-Вебстер . Проверено 22 февраля +2016 .
- ^ Молекула Определение архивации 13 октября 2014 в Wayback Machine ( Frostburg государственный университет )
- ^ Полная энциклопедия Хатчинсона с атласом и справочником погоды . Оксфорд, Англия. OCLC 696918830 .
- ^ Гарри Б. Грей. Химические связи: введение в атомную и молекулярную структуру . 1994. "Глава 6: Связь в твердых телах" . п. 210-211.
- ^ "Сколько атомов золота делает золото металлическим?" .
- ^ Кэмпбелл, Нил А .; Брэд Уильямсон; Робин Дж. Хейден (2006). Биология: изучение жизни . Бостон: Пирсон Прентис Холл . ISBN 978-0-13-250882-7. Проверено 5 февраля 2012 года .
- ^ Кэмпбелл, Flake C. (2008). Элементы металлургии и инженерных сплавов . ASM International . ISBN 978-1-61503-058-3.
- ^ Роджер Л. Декок; Гарри Б. Грей; Гарри Б. Грей (1989). Химическая структура и связь . Книги университетских наук. п. 199. ISBN 978-0-935702-61-3.
- ^ Чанг Р.Л .; Deen WM; Робертсон CR; Бреннер Б.М. (1975). «Пермселективность стенок капилляров клубочков: III. Ограниченный транспорт полианионов». Kidney Int . 8 (4): 212–218. DOI : 10.1038 / ki.1975.104 . PMID 1202253 .
- ^ Чанг Р.Л .; Ueki IF; Трой JL; Deen WM; Робертсон CR; Бреннер Б.М. (1975). «Проницаемость стенок капилляров клубочков для макромолекул. II. Экспериментальные исследования на крысах с использованием нейтрального декстрана» . Биофиз. Дж . 15 (9): 887–906. Bibcode : 1975BpJ .... 15..887C . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (75) 85863-2 . PMC 1334749 . PMID 1182263 .
- ^ Wink, Дональд Дж .; Фетцер-Гисласон, Шарон; МакНиколас, Шейла (2003). Практика химии . Макмиллан. ISBN 978-0-7167-4871-7.
- ^ «ChemTeam: эмпирическая формула» . www.chemteam.info . Проверено 16 апреля 2017 года .
- ^ Хирш, Брэндон Э .; Ли, Семин; Цяо, Бо; Чен, Чун-Син; Макдональд, Кевин П .; Tait, Steven L .; Флуд, Амар Х. (2014). «Анион-индуцированная димеризация 5-кратно симметричных цианозвезд в трехмерных кристаллических твердых телах и двумерных самоорганизованных кристаллах» . Химические коммуникации . 50 (69): 9827–30. DOI : 10.1039 / C4CC03725A . PMID 25080328 .
- ^ Zoldan, VC; Faccio, R; Паша, AA (2015). «Характер N и p типа одномолекулярных диодов» . Научные отчеты . 5 : 8350. Bibcode : 2015NatSR ... 5E8350Z . DOI : 10.1038 / srep08350 . PMC 4322354 . PMID 25666850 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Спектроскопия ». DOI : 10,1351 / goldbook.S05848
- ^ Андерсон Дж. Б. (май 2004 г.). «Комментарий к« Точному квантовому расчету методом Монте-Карло межмолекулярного потенциала гелия-гелия »[J. Chem. Phys. 115, 4546 (2001)]» . J Chem Phys . 120 (20): 9886–7. Bibcode : 2004JChPh.120.9886A . DOI : 10.1063 / 1.1704638 . PMID 15268005 .
Внешние ссылки
- Молекула месяца - Школа химии Бристольского университета