Molekyl

I kjemi er et molekyl (fra New Latin molecula , som er en diminutiv av ordet mol , ' masse ') en elektrisk nøytral og tilstrekkelig stabil gruppe på minst to atomer i en bestemt konfigurasjon, holdt sammen av sterke kjemiske bindinger ( kovalente ). eller ionebinding ). [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

I denne strenge forstanden skiller molekyler seg fra polyatomiske ioner . I organisk kjemi og biokjemi brukes begrepet "molekyl" mindre strengt, og brukes også på organiske forbindelser (organiske molekyler) og i biomolekyler .

Før ble molekylet definert på en mindre generell og presis måte, som den minste delen av et stoff som kunne ha en uavhengig og stabil eksistens samtidig som den bevarte sine fysisk-kjemiske egenskaper. I følge denne definisjonen kan monoatomiske molekyler eksistere. I den kinetiske teorien om gasser brukes begrepet molekyl på enhver gassformig partikkel uavhengig av sammensetningen. I følge denne definisjonen vil atomene til en edelgass bli betraktet som molekyler selv om de er sammensatt av ubundne atomer. [ 10 ]

Et molekyl kan bestå av flere atomer av et enkelt kjemisk grunnstoff , som i tilfellet med diatomisk oksygen (O 2 ), [ 11 ] eller av forskjellige grunnstoffer, som i tilfellet med vann (H 2 O). [ 12 ] Atomer og komplekser holdt sammen av ikke-kovalente bindinger som hydrogenbindinger eller ioniske bindinger anses vanligvis ikke som individuelle molekyler.

Molekyler som komponenter i materie er vanlige i organiske stoffer (og dermed i biokjemi ). De utgjør også det meste av havene og atmosfæren . Imidlertid inneholder et stort antall kjente faste stoffer, inkludert de fleste mineralene som utgjør jordskorpen , mantelen og kjernen , mange kjemiske bindinger, men er ikke laget av molekyler . Videre kan ingen typiske molekyler defineres i ioniske krystaller ( salter ) eller i kovalente krystaller, selv om de er sammensatt av repeterende enhetsceller , enten i ett plan (som i grafitt ) eller i tre dimensjoner (som i diamant ) eller natrium . klorid ). Dette systemet med å gjenta en enhetlig struktur flere ganger er også gyldig for de fleste kondenserte faser av metallisk bundet materiale , noe som betyr at faste metaller heller ikke er sammensatt av molekyler . I glass (faste stoffer som har en uordnet glassaktig tilstand) kan atomer også bindes sammen med kjemiske bindinger uten at noen type molekyl kan identifiseres, men det eksisterer heller ikke regelmessigheten av gjentakelsen av enheter som kjennetegner krystaller .

Nesten all organisk kjemi og mye av uorganisk kjemi omhandler syntesen og reaktiviteten til molekyler og molekylære forbindelser . Fysisk kjemi og spesielt kvantekjemi studerer også, kvantitativt, der det er hensiktsmessig, egenskapene og reaktiviteten til molekyler. Biokjemi er nært knyttet til molekylærbiologi , da begge studerer levende ting på molekylært nivå. Studiet av spesifikke interaksjoner mellom molekyler, inkludert molekylær gjenkjennelse , er studiet av supramolekylær kjemi . Disse kreftene forklarer fysiske egenskaper som løselighet eller kokepunkt for en molekylær forbindelse. [ 13 ]

Molekyler finnes sjelden uten interaksjon med hverandre, bortsett fra i sjeldne gasser og i edelgassene . Dermed kan de finnes i krystallgitter , som i tilfellet med H 2 O-molekyler i is, eller med intense interaksjoner, men som raskt endrer retning, som i flytende vann. I økende intensitetsrekkefølge er de mest relevante intermolekylære kreftene: Van der Waals-krefter og hydrogenbindinger .

Molekylær dynamikk er en datasimuleringsmetode som bruker disse kreftene til å prøve å forklare egenskapene til molekyler.

Et typisk molekyl kan ikke defineres for salter eller for kovalente krystaller , selv om disse ofte er sammensatt av repeterende enhetsceller som strekker seg i et plan, for eksempel grafen ; eller tredimensjonalt, for eksempel diamant , kvarts eller natriumklorid . Temaet repeterende enhetscellestruktur gjelder også for de fleste metaller som er kondenserte faser med metalliske bindinger. Derfor er ikke faste metaller laget av molekyler.

I glass, som er faste stoffer som eksisterer i en uordnet glassaktig tilstand, holdes atomene sammen av kjemiske bindinger uten tilstedeværelse av noen definerbare molekyler, og heller ikke noe av regelmessigheten til repeterende enhetscellestruktur som karakteriserer salter, kovalente krystaller og krystaller. skinner.

Molekylær vitenskap

Vitenskapen om molekyler kalles molekylær kjemi eller molekylær fysikk , avhengig av om den fokuserer på kjemi eller fysikk. Molekylær kjemi omhandler lovene som styrer samspillet mellom molekyler som gir opphav til dannelse og brudd av kjemiske bindinger , mens molekylær fysikk omhandler lovene som styrer deres struktur og egenskaper. I praksis er imidlertid dette skillet upresist. I molekylærvitenskap består et molekyl av et stabilt system ( bundet tilstand ) som består av to eller flere atomer . Polyatomiske ioner kan noen ganger betraktes som elektrisk ladede molekyler. Begrepet ustabilt molekyl brukes om svært reaktive arter , det vil si kortlivede sett ( resonanser ) av elektroner og kjerner , slik som radikaler , molekylære ioner , Rydberg-molekyler , overgangstilstander , van der Waals-komplekser eller systemer av atomer i kollisjon. som i Bose–Einstein-kondensatet .

Historie og etymologi

I følge Royal Spanish Academy stammer ordet "molekyl" fra de latinske føflekkene 'mole' eller 'masse' og det diminutive suffikset - ula 'liten masse'. [ 14 ]

Molecule (1794) - "ekstremt liten partikkel", fra fransk molekyl (1678), fra New Latin molecula , diminutiv av latinsk molmasse , barriere . En vag mening i begynnelsen; moten for ordet (brukt til slutten av 1700-tallet kun i latinsk form) går tilbake til filosofien til Descartes . [ 15 ] [ 16 ]

Definisjonen av et molekyl har utviklet seg etter hvert som kunnskapen om strukturen til molekyler har økt. Tidligere definisjoner var mindre presise, og definerte molekyler som de minste partiklene av rent kjemisk stoff som fortsatt beholder sin sammensetning og kjemiske egenskaper. [ 17 ] Denne definisjonen bryter ofte ned ettersom mange stoffer i vanlig erfaring, som bergarter , salter og metaller , er sammensatt av store krystallgitter av kjemisk bundne atomer eller ioner , men er ikke laget av diskrete molekyler.

Definisjon og dens begrensninger

På en mindre generell og presis måte har molekyl blitt definert som den minste delen av et kjemisk stoff som beholder sine kjemiske egenskaper, og som stoffet kan rekonstitueres fra uten kjemiske reaksjoner . I henhold til denne definisjonen, som er rimelig nyttig for de rene stoffene som består av molekyler, kan de "monatomiske molekylene" av edelgasser eksistere , mens krystallgitter , salter , metaller og de fleste glass ville bli stående i en forvirret situasjon.

Labile molekyler kan miste sin konsistens på relativt korte tider, men hvis halveringstiden er i størrelsesorden noen få molekylære vibrasjoner , står vi overfor en overgangstilstand som ikke kan betraktes som et molekyl. For tiden er det mulig å bruke pulserende lasere for å studere kjemien til disse systemene.

Enheter som deler definisjonen av molekyler, men som har en elektrisk ladning, kalles polyatomiske ioner , molekylære ioner eller ionemolekyler . Salter sammensatt av polyatomiske ioner er vanligvis klassifisert som molekylbaserte materialer eller molekylære materialer.

Molekyler er bygd opp av partikler. Et molekyl blir den minste delen av materie som fortsatt beholder egenskapene til den opprinnelige materien. Molekyler er sterkt knyttet for å danne materie. Molekyler er bygd opp av atomer holdt sammen av kjemiske bindinger .

Et molekyl er en enhet av stoff som kan være monoatomisk eller polyatomisk. Enheten for alle gassformige stoffer er molekylet. [ 18 ]

Typer av molekyler

Molekyler kan klassifiseres i:

Diskrete molekyler: består av et veldefinert antall atomer, enten de er av samme grunnstoff (homonukleære molekyler, som dinitrogen eller fulleren) eller av forskjellige grunnstoffer (heteronukleære molekyler, som vann).

Molekyl av dinitrogen, gassen som er hovedkomponenten i luft
Fulleren molekyl , den tredje stabile formen for karbon etter diamant og grafitt
Vannmolekyl , "universell løsningsmiddel", av grunnleggende betydning i utallige biokjemiske og industrielle prosesser
Polyedral representasjon av Keggin-anion, et molekylært polyanion

Makromolekyler eller polymerer: består av repetisjonen av en relativt enkel enhet - eller et begrenset sett av nevnte enheter - og som når relativt høye molekylvekter .

Representasjon av et fragment av DNA , en polymer av fundamental betydning i genetikk
Peptidbinding som forbinder peptider for å danne proteiner
Representasjon av et lineært fragment av polyetylen , den mest brukte plasten
Første generasjon av en dendrimer , en spesiell type polymer som vokser på en fraktal måte

Linker

Atomene som utgjør molekylene holdes sammen av kovalente bindinger eller ioniske bindinger . Ulike typer ikke- metalliske elementer eksisterer bare som molekyler i miljøet. For eksempel eksisterer hydrogen bare som et hydrogenmolekyl. Et molekyl av en forbindelse er bygd opp av to eller flere grunnstoffer. [ 19 ] Et homonukleært molekyl er bygd opp av to eller flere atomer av et enkelt grunnstoff.

Mens noen sier at en metallisk krystall kan betraktes som et enkelt gigantisk molekyl som holdes sammen av metalliske bindinger , [ 20 ] påpeker andre at metaller virker veldig annerledes enn molekyler. [ 21 ]

Kovalent

En kovalent binding er en kjemisk binding som involverer utveksling av elektronpar mellom atomer. Disse elektronparene kalles delte par eller bindingspar , og den stabile balansen mellom attraktive og frastøtende krefter mellom atomer, når de deler elektroner, kalles en kovalent binding . [ 22 ]

Ionic

Ionebindingen er en type kjemisk binding som involverer den elektrostatiske tiltrekningen mellom ioner med motsatt elektrisk ladning og er hovedinteraksjonen som oppstår i ioniske forbindelser. Ioner er atomer som har mistet ett eller flere elektroner (kalt kationer ) og atomer som har fått ett eller flere elektroner (kalt anioner ). [ 23 ] Denne overføringen av elektroner kalles elektrovalens i motsetning til kovalens. I det enkleste tilfellet er kationen et metallatom og anionet et ikke-metallatom, men disse ionene kan være mer kompliserte i naturen, for eksempel molekylære ioner som NH 4 + eller SO 4 2− .

Ved normale temperaturer og trykk skaper ionisk binding for det meste faste stoffer (eller noen ganger væsker ) uten separate identifiserbare molekyler, men fordamping / sublimering av slike materialer produserer små separate molekyler der elektroner fortsatt overføres nok til at bindingene anses som ioniske i stedet for kovalente.

Beskrivelse

Den molekylære strukturen kan beskrives på forskjellige måter. Molekylformelen er nyttig for enkle molekyler, slik som H 2 O for vann eller NH 3 for ammoniakk . Den inneholder symbolene til elementene som er tilstede i molekylet, samt deres andel angitt av abonnentene.

For mer komplekse molekyler, slik som de som vanligvis finnes i organisk kjemi , er den kjemiske formelen ikke nok, og det er verdt å bruke en strukturformel eller skjelettformel , som begge grafisk indikerer det romlige arrangementet av de forskjellige funksjonelle gruppene .

Når man vil vise ulike molekylære egenskaper, eller det dreier seg om svært komplekse systemer som proteiner , DNA eller polymerer , brukes spesielle representasjoner, for eksempel tredimensjonale modeller (fysiske eller representert ved datamaskin). I proteiner er det for eksempel mulig å skille mellom primær struktur (rekkefølgen av aminosyrer), sekundær (første folding til spiraler, ark, svinger...), tertiære (folding av helix/ark/sving-type strukturer for å gi kuler ) og kvartær (romlig organisering mellom de forskjellige kulene).

Molekyler i kvanteteori

Klassisk mekanikk og klassisk elektromagnetisme kunne ikke forklare eksistensen og stabiliteten til molekyler, siden ifølge ligningene deres ville en akselerert elektrisk ladning sende ut stråling, så elektronene ville nødvendigvis miste kinetisk energi ved stråling til de falt på atomkjernen . Kvantemekanikk ga den første kvalitativt korrekte modellen som også spådde eksistensen av stabile atomer og ga en svært omtrentlig kvantitativ forklaring på empiriske fenomener som de karakteristiske emisjonsspektrene til hvert kjemisk element.

I kvantemekanikk beskrives et molekyl eller et polyatomisk ion som et system som består av masseelektroner og massekjerner . I kvantemekanikk presenteres de fysiske interaksjonene til disse elementene av en kvante Hamiltonian , hvis egenverdier vil være de tillatte energiene til systemet og hvis egenfunksjoner vil beskrive molekylets molekylorbitaler , og fra disse objektene de kjemiske egenskapene til molekylet kan utledes. I det følgende vil ladningen til hvert elektron bli betegnet med e , mens den til hver kjerne, med protoner, vil være . For å studere dette systemet er det nødvendig å analysere følgende kvante Hamiltonian : $N$ $m$ $M$ $m_{j}$ $Z_{j}$ $Z_{j}e$

( 1 ) ${\hat {H}}_{mol}=-\sumj=1}^{N}{\frac {\hbarº2}}{2m}}\nablax_{j }}^ {2}-\sum j=1}^{M}{\frac {\hbar 2}}{2m_{j}}}\nabla y_{j}}^{2} +V(x,y)$

definert på rommet av antisymmetriserte funksjoner av kvadratintegrerbare , koordinatene knyttet til posisjonene til elektronene er gitt av og atomkjernene gitt av . Og de elektrostatiske interaksjonene mellom elektroner og kjerner er gitt av potensialet som kan skrives som: $L_{sym}^{2}(\mathbb {R} 3(N+M)})$ $x=(x_{\dot {a}}2,\dots ,x_{N})\in \mathbb {R}{3N}$ $y=(y_{1},\dots ,y_{M})\in \mathbb {R}{3M}$ $V(x,y)$

( 2 ) $V(x,y)={\frac {1}{2}}\sumi\neq j}{\frac {e^{2}}{\|x_{i}-x_{j }\|}}-\sum i,j}{\frac {Z_{j}e^{2}}{\|x_{i}-y_{j}\|}}+{\frac {1 }{ 2}}\sumi\neq j}{\frac {Z_{i}Z_{j}e^{2}}{\|y_{i}-y_{j}\|}}$

hvor det første leddet representerer interaksjonen mellom elektronene med hverandre, det andre vekselvirkningen mellom elektronene og atomkjernene, og det tredje vekselvirkningen mellom kjernene med hverandre. I et nøytralt molekyl vil det åpenbart være at:

$\sum j=1}^{M}Z_{j}=N$

Hvis det vil være et polyelektronisk atom if , og et hydrogenatom hvis . $M=1$ $Z_{1}>1$ $Z_{1}=1$

Born–Oppenheimer tilnærming

Å løse egenverdi- og egenfunksjonsproblemet for kvante Hamiltonian gitt av ( 1 ) er et vanskelig matematisk problem, så det er vanlig å forenkle det på en eller annen måte. Således, siden atomkjerner er mye tyngre enn elektroner (mellom 10 3 og 10 5 ganger tyngre), kan det antas at atomkjerner nesten ikke beveger seg sammenlignet med elektroner, så de anses å være frosset i faste posisjoner, som kan tilnærmes til Hamiltonian ( 1 ) ved Born - Oppenheimer-tilnærmingen gitt av:

( 3 ) ${\hat {H}}_{mol,N}^{BO}(y)=-\sumj=1}^{N}{\frac {\hbarª2}}{2m }}\ nablaxj}^{2}+V(x,y)$

definert på funksjonsrommet og hvor er posisjonen til kjernene som anses som fast for analysen. Det grunnleggende resultatet av denne analysen er gitt av følgende matematiske resultat: $L_{sym}^{2}(\mathbb {R} 3N})$ $y\in \mathbb {R} 3M}$

Katos teorem

Operatørene og er selvtilknyttede og avgrenset nedenfor. ${\hat {H}}_{m}ol$ ${\hat {H}}_{mol,N}^{BO}(y)$

Tosio Cato

Egenskapen til å være selvtilknyttet vil innebære at energiene er reelle mengder, og det faktum at de er nedre grenser vil innebære at det er en grunntilstand med minimumsenergi under hvilken elektronene ikke kan forfalle, og derfor vil molekylene være stabile , siden elektronene ikke kan tape og miste energi som ligningene for klassisk elektromagnetisme så ut til å forutsi. To ekstra matematiske resultater forteller oss hva de tillatte energiene til elektroner i et molekyl er: [ 24 ]

HVZ-teorem for BO-atomer og molekyler

Det essensielle spekteret , hvor energi kalles ioniseringsterskelen. $\sigmaess}({\hat {H}}_{mol,N}^{BO})=[\SigmaN},\infty )$ $\Sigma{N}=\inf({\hat {H}}_{mol,N-1}^{BO})$ $\Sigma{N}$

W. Hunziker, C. Van Winter og G.M. Zhislin

Også innenfor kvantemekanikken kan det vises at positive ioner (kationer, med en positiv ladning sammenlignbar med atomkjernen) kan eksistere, mens det ikke er like lett å ha negative ioner ( anioner ), det følgende matematiske resultatet tilsier har å gjøre med muligheten for kationer og anioner: [ 24 ]

Teorem

For , Hamiltonianen har et uendelig antall egenverdier (tillatte energier) under ioniseringsterskelen , pluss de bundne tilstandene , med energier som tilfredsstiller eksponentialgrensen $N<\sumj}Z_{j}+1$ ${\hat {H}}_{mol,N}^{BO}$ $\Sigma{N}$ $\Psi{N}^{(i)}(x_{1},x_{2},\dots ,x_{N})$ $E_{N}^{(i)}<\Sigma{N}$

$\int\mathbb {R}3N}}|\PsiN}^{(i)}(x)|^{2}e^{2\alpha \|x\|} d^{3N}x<\infty ,\qquad \forall α <{\sqrt {\SigmaN}-E_{N}^{(i)}}}$

Se også

Referanser

↑ Iwata, Kota; Yamazaki, Shiro; Mutombo, Pingo; Hapala, Prokop; Ondracek, Martin; Jelinek, Pavel; Sugimoto, Yoshiaki (2015). "Kjemisk strukturavbildning av et enkelt molekyl ved atomkraftmikroskopi ved romtemperatur" . Nature Communications 6 : 7766. Bibcode : 2015NatCo...6.7766I . PMC 4518281 . PMID 26178193 . doi : 10.1038/ncomms8766 .
↑ Dinca, LE; De Marchi, F.; MacLeod, JM; Lipton-Duffin, J.; Gatti, R.; Ma, D.; Perepichka, D.F .; Rosei, F. (2015). "Pentacen på Ni(111): Romtemperatur molekylær pakking og temperaturaktivert konvertering til grafen". Nanoskala 7 (7): 3263-9. Bibcode : 2015Nanos...7.3263D . PMID 25619890 . doi : 10.1039/C4NR07057G .
^ Hapala, Prokop; Švec, Martin; Stetsovych, Oleksandr; Van Der Heijden, Nadine J.; Ondracek, Martin; Van DerLit, Joost; Mutombo, Pingo; Swart, Ingmar et al. (2016). "Kartlegging av det elektrostatiske kraftfeltet til enkeltmolekyler fra høyoppløselige skanningsprobebilder" . Nature Communications 7 : 11560. Bibcode : 2016NatCo...711560H . PMC 4894979 . PMID 27230940 . doi : 10.1038/ncomms11560 .
↑ International Union of Pure and Applied Chemistry : (1994) /M04002.html molecule , Compendium of Chemical Terminology , kjent som Gold Book .
↑ Pauling, Linus (1970). Generell kjemi . New York: Dover Publications, Inc. ISBN 0-486-65622-5 .
^ Ebbin, Darrell, D. (1990). General Chemistry, 3. utg . Boston: Houghton Mifflin Co. ISBN 0-395-43302-9 .
^ Brown, T.L. (2003). Kjemi - den sentrale vitenskapen, 9. utg . New Jersey: Prentice Hall. ISBN 0-13-066997-0 .
^ Chang, Raymond (1998). Kjemi, 6. utg . New York: McGrawHill. ISBN 0-07-115221-0 .
^ Zumdahl, Steven S. (1997). Chemistry, 4. utg . Boston: Houghton Mifflin. ISBN 0-669-41794-7 .
↑ Chandra, Sulekh. Omfattende uorganisk kjemi . New Age Publishers. ISBN 8122415121 .
↑ Thibodeau, Gary A.; Patton, Kevin T. (2008-06). Menneskekroppens struktur og funksjon . Elsevier Spania. ISBN 9788480863551 . Hentet 5. februar 2018 .
↑ Vaquerizo, Dulce María Andrés (2016). Vitenskaper brukt på yrkesaktivitet 4. ESO . Editex. ISBN 9788490788097 . Hentet 5. februar 2018 .
^ "Molekylær" . Encyclopædia Britannica . 22. januar 2016 . Hentet 23. februar 2016 .
^ "molekyl" . RAE .
↑ Harper, Douglas. "molekyl " Online etymologiordbok .
↑ Mal: Sitere ordbok
↑ Molecule Definition Arkivert 2014-10-13 på Wayback Machine ( Frostburg State University )
↑ Ocampo, Dapueto, Piovano (2009). "1". I National University of the Coast, red. Generell kjemi . Santa Fé, Argentina: Editions UNL. s. 9. ISBN 978-987-508-965-5 .
↑ Hutchinsons uforkortede leksikon med atlas og værguide . Oxford, England. OCLC 696918830 .
↑ Harry B. Gray. Kjemiske bindinger: en introduksjon til atom- og molekylstruktur . 1994. "Kapittel 6: Bonding in Solids" . s. 210-211.
↑ "Hvor mange gullatomer lager gullmetall?" .
^ Campbell, Neil A.; Brad Williamson; Robin J. Heyden (2006). Biologi: Utforsking av livet . Boston: Pearson Prentice Hall . ISBN 978-0-13-250882-7 . Hentet 5. februar 2012 .
^ Campbell, Flake C. (2008). Elementer av metallurgi og tekniske legeringer . ASM International . ISBN 978-1-61503-058-3 .
↑ a b Gustafson, SJ & IM Sigal, 2011, s. 101.

Bibliografi

Gustafson, S.J. & I.M. Sigal (2011): Mathematical Concepts of Quantum Mechanics , Springer-Verlag, ISBN 978-3-642-21866-8 .

Eksterne lenker

Dette verket inneholder en automatisk og delvis oversettelse hentet fra « Molecula » fra Wikipedia på katalansk, spesifikt fra denne versjonen , utgitt av redaktørene under GNU Free Documentation License og Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License .
Wikimedia Commons har en mediekategori på Molecule .
Wiktionary har definisjoner og annen informasjon om molekyler .