Молекула

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Изображение молекулы PTCDA , полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) , на котором видны пять шестиуглеродных колец. [1]
Сканирующей туннельной микроскопии изображение пентацена молекул, которые состоят из линейных цепочек пяти углеродных колец. [2]
АСМ-изображение 1,5,9-триоксо-13-азатриангулена и его химическая структура. [3]

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, регулирующими взаимодействие 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 оченьреактивные частицы, то есть короткоживущие сборки ( резонансы ) электронов и ядер , такие как радикалы , молекулярные ионы , ридберговские молекулы , переходные состояния , ван-дер-ваальсовы комплексы или системы сталкивающихся атомов, как в конденсате 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, образующая H 2 (справа), где два атома водорода разделяют два электрона.

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

Натрий и фтор подвергаются окислительно-восстановительной реакции с образованием фторида натрия . Натрий теряет внешний электрон, чтобы придать ему стабильную электронную конфигурацию , и этот электрон экзотермически входит в атом фтора .

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 - это атом металла, а анион - неметалл.атом, 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 атомамив разных формах 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

Трехмерное (слева и в центре) и двухмерное (справа) представление молекулы терпеноида атисана

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

Структура и СТМ- изображение молекулы дендримера "цианозвезда" . [24]

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

Водород можно удалить из отдельных молекул H 2 TPP , подав избыточное напряжение на острие сканирующего туннельного микроскопа (СТМ, а); это удаление изменяет вольт-амперные кривые (IV) молекул TPP, измеренные с помощью того же наконечника STM, с диодного (красная кривая на b) на резистивный (зеленая кривая). Изображение (c) показывает ряд молекул TPP, H 2 TPP и TPP. Во время сканирования изображения (d) к H 2 TPP в черной точке было приложено избыточное напряжение , которое мгновенно удалило водород, как показано в нижней части (d) и на повторно сканированном изображении (e). Такие манипуляции можно использовать в электронике с одной молекулой . [25]

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 Шредингерапоскольку система может быть решена легче 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 видов , которые не будут традиционно считаться молекулами, такими как гелием димером , He 2 , который имеет одну колебательного связанное состояние [27] и настолько слабо связан, что его можно наблюдать только при очень низких температурах.

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

  1. ^ 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 .
  2. ^ Динка, LE; Де Марчи, Ф .; MacLeod, JM; Lipton-Duffin, J .; Gatti, R .; Сумасшедший.; 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 . 
  3. ^ 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 .  
  4. ^ a b ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Молекула ». DOI : 10,1351 / goldbook.M04002
  5. ^ Эббин, Даррелл Д. (1990). Общая химия (3-е изд.). Бостон: ISBN Houghton Mifflin Co.  978-0-395-43302-7.
  6. ^ 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.
  7. ^ Чанг, Раймонд (1998). Химия (6-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу Хилл . ISBN 978-0-07-115221-1.
  8. ^ Zumdahl, Стивен С. (1997). Химия (4-е изд.). Бостон: Хоутон Миффлин. ISBN 978-0-669-41794-4.
  9. ^ Chandra, Sulekh (2005). Комплексная неорганическая химия . Издатели Нью Эйдж. ISBN 978-81-224-1512-4.
  10. ^ "Молекула" . Британская энциклопедия . 22 января 2016 . Проверено 23 февраля +2016 .
  11. ^ Харпер, Дуглас. «молекула» . Интернет-словарь этимологии . Проверено 22 февраля +2016 .
  12. ^ "молекула" . Мерриам-Вебстер . Проверено 22 февраля +2016 .
  13. ^ Молекула Определение архивации 13 октября 2014 в Wayback Machine ( Frostburg государственный университет )
  14. ^ Хатчинсона несокращенный энциклопедия с атласом и гидом погоды . Оксфорд, Англия. OCLC 696918830 . 
  15. ^ Гарри Б. Грей.Химические связи: введение в атомную и молекулярную структуру . 1994. "Глава 6: Связь в твердых телах" . п. 210-211.
  16. ^ "Сколько атомов золота делает золото металлическим?" .
  17. ^ 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 .
  18. Перейти ↑ Campbell, Flake C. (2008). Элементы металлургии и инженерных сплавов . ASM International . ISBN 978-1-61503-058-3.
  19. ^ 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.
  20. ^ Чанг RL; 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 . 
  21. ^ Чанг RL; 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 .  
  22. ^ Подмигивание, Дональд Дж .; Фетцер-Гисласон, Шарон; МакНиколас, Шейла (2003). Практика химии . Макмиллан. ISBN 978-0-7167-4871-7.
  23. ^ «ChemTeam: эмпирическая формула» . www.chemteam.info . Проверено 16 апреля 2017 года .
  24. ^ 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 . 
  25. ^ 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 .  
  26. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Спектроскопия ». DOI : 10,1351 / goldbook.S05848
  27. 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 . 

внешняя ссылка

  • Молекула месяца - Школа химии Бристольского университета