Молекула - Molecule

«Молекулы» и «Молекулярные» перенаправляются сюда. Для использования в других целях см. молекула (значения).

Атомно-силовая микроскопия (AFM) изображение PTCDA молекула, в которой видны пять шестиуглеродных колец.[1]
А сканирующая туннельная микроскопия изображение пентацен молекулы, которые состоят из линейных цепочек из пяти углеродных колец.[2]
АСМ-изображение 1,5,9-триоксо-13-азатриангулена и его химическая структура.[3]

А молекула является электрически нейтральная группа из двух и более атомы держится вместе химические связи.[4][5][6][7][8] Молекулы отличаются от ионы из-за их отсутствия электрический заряд.

В квантовая физика, органическая химия, и биохимия, отличие от ионов опускается и молекула часто используется при упоминании многоатомные ионы.

в кинетическая теория газов, период, термин молекула часто используется для любых газообразных частица независимо от его состава. Это нарушает определение, что молекула содержит два или более атомов, поскольку благородные газы являются отдельными атомами.[9]

Молекула может быть гомоядерный, то есть состоит из атомов одного химический элемент, как с двумя атомами в кислород молекула (O2); или это может быть гетероядерный, а химическое соединение состоит из более чем одного элемента, как с воды (два атома водорода и один атом кислорода; H2О).

Атомы и комплексы, связанные нековалентные взаимодействия, Такие как водородные связи или же ионные связи, как правило, не считаются одиночными молекулами.[10]

Молекулы как компоненты материи обычны. Они также составляют большую часть океанов и атмосферы. Наиболее органический вещества - это 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 сульфат 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, коренная порода, то расплавленный интерьер, а ядро Земли. Все они содержат много химических связей, но нет состоит из идентифицируемых молекул.

Никакая типичная молекула не может быть определена для соли ни для ковалентные кристаллы, хотя они часто состоят из повторяющихся элементарные ячейки которые простираются либо в самолет, например графен; или трехмерно, например алмаз, кварц, хлорид натрия. Тема повторяющейся элементарной ячеистой структуры также актуальна для большинства металлов, которые являются конденсированными фазами с металлическое соединение. Таким образом, твердые металлы не состоят из молекул.

В очки, которые представляют собой твердые тела, которые существуют в стекловидном неупорядоченном 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 металлов.

Молекулярная наука

Наука о молекулах называется молекулярная химия или же молекулярная физика, в зависимости от того, идет ли речь о химии или физике. Молекулярная химия изучает законы, регулирующие взаимодействие между молекулами, которое приводит к образованию и разрушению химические связи, а молекулярная физика изучает законы, регулирующие их структуру и свойства. Однако на практике это различие нечеткое. В молекулярных науках молекула состоит из стабильной системы (связанное состояние ) состоящий из двух или более атомы. Многоатомные ионы иногда их можно рассматривать как электрически заряженные молекулы. Период, термин нестабильная молекула используется для очень реактивный видов - короткоживущих скоплений (резонансы ) электронов и ядра, Такие как радикалы, молекулярный ионы, Молекулы Ридберга, переходные состояния, комплексы Ван-дер-Ваальса, или системы сталкивающихся атомов, как в Конденсат Бозе – Эйнштейна.

История и этимология

Основная статья: История молекулярной теории

В соответствии с Мерриам-Вебстер и Интернет-словарь этимологии слово «молекула» происходит от латинский "родинки "или малая единица массы.

  • Молекула (1794) - «очень мельчайшая частица», от французского молекула (1678), из Новая латынь молекула, уменьшительное от латинского родинки «масса, преграда». Сначала смутное значение; мода на это слово (использовавшееся до конца 18 века только в латинской форме) восходит к философии Декарт.[11][12]

Определение молекулы эволюционировало по мере расширения знаний о структуре молекул. Ранние определения были менее точными, определяя молекулы как самые маленькие. частицы чистого химические субстанции которые все еще сохраняют свои сочинение и химические свойства.[13] Это определение часто не работает, поскольку многие вещества в обычном опыте, такие как горные породы, соли, и металлы, состоят из больших кристаллических сетей химически связанный атомы или ионы, но не состоят из дискретных молекул.

Склеивание

Молекулы удерживаются вместе либо ковалентная связь или же ионная связь. 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]

Ковалентный

Основная статья: Ковалентная связь
Ковалентная связь, образующая H2 (справа) где два атомы водорода разделить два электрона

Ковалентная связь - это химическая связь это предполагает обмен электронные пары между атомы. Эти электронные пары называются общие пары или же склеивающие пары, а устойчивый баланс сил притяжения и отталкивания между атомами, когда они разделяют электроны, называется ковалентная связь.[15]

Ионный

Основная статья: Ионная связь
Натрий и фтор подвергается окислительно-восстановительной реакции с образованием фторид натрия. Натрий теряет внешний вид электрон дать ему конюшню электронная конфигурация, и этот электрон попадает в атом фтора экзотермически.

Ионная связь - это тип химическая связь это включает электростатический притяжение между противоположно заряженными ионы, и является первичным взаимодействием, происходящим в ионные соединения. Ионы - это атомы, потерявшие один или несколько электроны (названный катионы ) и атомы, которые получили один или несколько электронов (называемые анионы ).[16] Этот перенос электронов называется электровалентность в отличие от ковалентность. В простейшем случае катион представляет собой металл атом и анион неметалл атом, но эти ионы могут иметь более сложную природу, например молекулярные ионы, такие как NH4+ или так42−.

Размер молекулы

Большинство молекул слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, хотя молекулы многих полимеры может достигать макроскопический размеры, в том числе биополимеры Такие как ДНК. Молекулы, обычно используемые в качестве строительных блоков для органического синтеза, имеют размер в несколько единиц. ангстремы (Å) до нескольких десятков Å, или около одной миллиардной метра. Одиночные молекулы обычно не наблюдаются свет (как отмечалось выше), но небольшие молекулы и даже очертания отдельных атомов можно проследить в некоторых случаях с помощью атомно-силовой микроскоп. Некоторые из самых крупных молекул макромолекулы или же супермолекулы.

Самая маленькая молекула - это двухатомный водород (ЧАС2) с длиной связи 0,74 Å.[17]

Эффективный радиус молекулы - это размер молекулы в растворе.[18][19]В таблица селективности проницаемости для различных веществ содержит примеры.

Молекулярные формулы

Типы химических формул

Основная статья: Химическая формула

В химическая формула для молекулы используется одна строка химический элемент символы, числа, а иногда и другие символы, такие как круглые скобки, тире, скобки и плюс (+) и минус (-) знаки. Они ограничены одной типографской строкой символов, которая может включать подстрочные и надстрочные индексы.

Соединение эмпирическая формула это очень простой тип химической формулы.[20] Это самый простой целое число соотношение из химические элементы что составляет его.[21] Например, вода всегда имеет соотношение 2: 1: водород к кислород атомы и этиловый спирт (этиловый спирт) всегда состоит из углерод, водород, и кислород в соотношении 2: 6: 1. Однако это не определяет однозначно вид молекулы - диметиловый эфир имеет такие же соотношения, как, например, этанол. Молекулы с таким же атомы в разных аранжировках называются изомеры. 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.

В молекулярная формула отражает точное количество атомов, составляющих молекулу, и таким образом 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 ацетилен имеет молекулярную формулу C2ЧАС2, но простейшее целочисленное соотношение элементов - CH.

В молекулярная масса можно рассчитать из химическая формула и выражается в условных атомные единицы массы равняется 1/12 массы нейтрального углерода-12 (12C изотоп ) атом. За твердые тела сети, период, термин формульная единица используется в стехиометрический расчеты.

Структурная формула

Основная статья: Структурная формула
3D (слева и в центре) и 2D (справа) представления терпеноид молекула атисана

Для молекул со сложной трехмерной структурой, особенно с атомами, связанными с четырьмя разными заместителями, простой молекулярной формулой или даже полуструктурной химическая формула может быть недостаточно, чтобы полностью указать молекулу. В этом случае формула графического типа называется структурная формула может понадобиться. Структурные формулы, в свою очередь, могут быть представлены одномерным химическим названием, но такие химическая номенклатура требует много слов и терминов, не входящих в химические формулы.

Молекулярная геометрия

Основная статья: Молекулярная геометрия
Структура и СТМ изображение "цианозвезды" дендример молекула.[22]

Молекулы зафиксированы равновесие геометрии - длины 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 реактивность. Изомеры имеют общую химическую формулу, но обычно имеют очень разные свойства из-за разной структуры. Стереоизомеры, конкретный тип изомера, может иметь очень похожие физико-химические свойства и в то же время разные биохимический виды деятельности.

Молекулярная спектроскопия

Основная статья: Спектроскопия
Водород можно удалить из индивидуума ЧАС2ТЭС молекул путем приложения избыточного напряжения к кончику сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, а); это удаление изменяет вольт-амперные (I-V) кривые молекул TPP, измеренные с помощью того же наконечника СТМ, от диод нравится (красная кривая в b) на резистор нравится (зеленая кривая). Изображение (c) показывает ряд TPP, H2Молекулы TPP и TPP. При сканировании изображения (г) на H2TPP в черной точке, которая мгновенно удаляет водород, как показано в нижней части (d) и на повторно сканированном изображении (e). Такие манипуляции можно использовать в одномолекулярная электроника.[23]

Молекулярная спектроскопия имеет дело с ответом (спектр ) молекул, взаимодействующих с зондирующими сигналами известных энергия (или же частота, в соответствии с Формула планка ). Молекулы имеют квантованные уровни энергии, которые можно анализировать, обнаруживая энергообмен молекулы через поглощение или же выброс.[24]Спектроскопия обычно не относится к дифракция исследования, где частицы, такие как нейтроны, электроны, или высокая энергия Рентгеновские лучи взаимодействуют с регулярным расположением молекул (как в кристалле).

СВЧ спектроскопия обычно измеряет изменения во вращении молекул и может использоваться для идентификации молекул в космическом пространстве. ИК-спектроскопия измеряет колебания молекул, включая растягивающие, изгибающие или скручивающие движения. Обычно он используется для определения видов облигаций или функциональные группы в молекулах. Изменения в расположении электронов дают линии поглощения или излучения в ультрафиолетовом, видимом или ближний инфракрасный свет и результат в цвете. Спектроскопия ядерного резонанса измеряет окружение конкретных ядер в молекуле и может быть использована для определения количества атомов в различных положениях в молекуле.

Теоретические аспекты

Изучение молекул молекулярная физика и теоретическая химия во многом основан на квантовая механика и важен для понимания химическая связь. Самая простая из молекул - это молекула водорода-ион, H2+, а самая простая из всех химических связей - это одноэлектронная связь. ЧАС2+ состоит из двух положительно заряженных протоны и один отрицательно заряженный электрон, что означает, что Уравнение Шредингера поскольку 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 вычислительная химия.

При попытке строго определить, является ли расположение атомов достаточно стабильный чтобы считаться молекулой, ИЮПАК предполагает, что она «должна соответствовать углублению на поверхность потенциальной энергии это достаточно глубоко, чтобы ограничить хотя бы одно колебательное состояние ".[4] Это определение не зависит от характера взаимодействия между атомами, а только от силы взаимодействия. Фактически, он включает слабосвязанные частицы, которые традиционно не считались бы молекулами, такие как гелий димер, Он2, имеющий одну колебательную связанное состояние[25] и настолько слабо связан, что его можно наблюдать только при очень низких температурах.

Является ли расположение атомов достаточно стабильный считаться молекулой - это, по сути, рабочее определение. Таким образом, с философской точки зрения молекула не является фундаментальной сущностью (в отличие, например, от элементарная частица ); скорее, концепция молекулы - это способ химика сделать полезное заявление о силе взаимодействий на атомном уровне в мире, который мы наблюдаем.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ивата, Кота; Ямазаки, Широ; Мутомбо, Пинго; Хапала, Прокоп; Ондрачек, Мартин; Елинек, Павел; Сугимото, Ёсиаки (2015). «Визуализация химической структуры отдельной молекулы с помощью атомно-силовой микроскопии при комнатной температуре». Nature Communications. 6: 7766. Bibcode:2015 НатКо ... 6.7766I. Дои:10.1038 / ncomms8766. ЧВК  4518281. PMID  26178193.
  2. ^ Dinca, L.E .; Де Марчи, Ф .; MacLeod, J.M .; 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». Наномасштаб. 7 (7): 3263–9. Bibcode:2015Nanos ... 7.3263D. Дои: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:2016НатКо ... 711560H. Дои:10.1038 / ncomms11560. ЧВК  4894979. PMID  27230940.
  4. ^ а б ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Молекула ". Дои:10.1351 / goldbook.M04002
  5. ^ Эббин, Даррелл Д. (1990). Общая химия (3-е изд.). Бостон: Houghton Mifflin Co. ISBN  978-0-395-43302-7.
  6. ^ Brown, T.L .; Кеннет К. Кемп; Теодор Л. Браун; Гарольд Юджин ЛеМэй; Брюс Эдвард Бурстен (2003). Химия - центральная наука (9-е изд.). Нью-Джерси: Prentice Hall. 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. ^ Зумдал, Стивен С. (1997). Химия (4-е изд.). Бостон: Хоутон Миффлин. ISBN  978-0-669-41794-4.
  9. ^ Чандра, Сулех (2005). Комплексная неорганическая химия. Издатели New Age. ISBN  978-81-224-1512-4.
  10. ^ «Молекула». Британская энциклопедия. 22 января 2016 г.. Получено 23 февраля 2016.
  11. ^ Харпер, Дуглас. "молекула". Интернет-словарь этимологии. Получено 22 февраля 2016.
  12. ^ "молекула". Мерриам-Вебстер. Получено 22 февраля 2016.
  13. ^ Определение молекулы В архиве 13 октября 2014 г. Wayback Machine (Государственный университет Фростбурга )
  14. ^ Полная энциклопедия Хатчинсона с атласом и справочником погоды. Оксфорд, Англия. OCLC  696918830.
  15. ^ Кэмпбелл, Нил А .; Брэд Уильямсон; Робин Дж. Хейден (2006). Биология: изучение жизни. Бостон: Пирсон Прентис Холл. ISBN  978-0-13-250882-7. Получено 5 февраля 2012.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  16. ^ Кэмпбелл, Flake C. (2008). Элементы металлургии и инженерных сплавов. ASM International. ISBN  978-1-61503-058-3.
  17. ^ 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.
  18. ^ Чанг Р.Л .; Deen WM; Робертсон CR; Бреннер Б.М. (1975). «Пермселективность стенок капилляров клубочков: III. Ограниченный транспорт полианионов». Почка Int. 8 (4): 212–218. Дои:10.1038 / ки.1975.104. PMID  1202253.
  19. ^ Чанг Р.Л .; Ueki IF; Трой JL; Deen WM; Робертсон CR; Бреннер Б.М. (1975). «Пермселективность стенок капилляров клубочков по отношению к макромолекулам. II. Экспериментальные исследования на крысах с использованием нейтрального декстрана». Биофиз. J. 15 (9): 887–906. Bibcode:1975BpJ .... 15..887C. Дои:10.1016 / S0006-3495 (75) 85863-2. ЧВК  1334749. PMID  1182263.
  20. ^ Wink, Дональд Дж .; Фетцер-Гисласон, Шарон; МакНиколас, Шейла (2003). Практика химии. Макмиллан. ISBN  978-0-7167-4871-7.
  21. ^ «ChemTeam: эмпирическая формула». www.chemteam.info. Получено 16 апреля 2017.
  22. ^ 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 самоорганизующихся кристаллах». Химические коммуникации. 50 (69): 9827–30. Дои:10.1039 / C4CC03725A. PMID  25080328.
  23. ^ Золдан, В. С .; Faccio, R; Паша, А.А. (2015). «Характер N и p типа одномолекулярных диодов». Научные отчеты. 5: 8350. Bibcode:2015НатСР ... 5Е8350Z. Дои:10.1038 / srep08350. ЧВК  4322354. PMID  25666850.
  24. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Спектроскопия ". Дои:10.1351 / goldbook.S05848
  25. ^ 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:2004ЖЧФ.120.9886А. Дои:10.1063/1.1704638. PMID  15268005.

внешняя ссылка