Molekul

Nauka o molekulima se naziva molekulskom hemijom ili molekulskom fizikom,^[28][29] u zavisnosti od toga da li je focus na hemiji ili fizici. Molekulska hemija se bavi zakonima koji vladaju nad interakcijama između molekula koje dovode do formiranja i razlaganja hemijskih veza, dok se molekulska fizika bavi zakonima o molekulskim strukturama i njihovim svojstvima. Međutim, u praksi razlika nije jasno definisana. U naukama o molekulima, molekul se sastoji od stabilnog sistema sa dva ili više atoma. Poliatomiski joni se mogu smatrati naelektrisanim molekulima. Termin nestabilni molekul se koristi za veoma reaktivne vrste, i.e., kratkotrajne konstrakte (rezonancije) elektrona i jezgara, kao što su radikali,^[30][31] molekulski joni,^[32] Rajdbergovi molekuli,^[33][34] prelazna stanja,^[35][36] van der Valsovi kompleksi,^[37][38][39] ili sistemi kolizirajućih atoma kao u Boze-Ajnštajnovom kondenzatu.^[40][41]

Glavni članak: Istorija molekulske teorije

U Merriam-Webster rečniku^[44] i Onlajn etimološkom rečniku^[45], reč "molekul" je izvedena iz latinske reči "mol" ili mala jedinica mase.

Molekul (1794) – „ekstremno mala čestica“, od fr. molécule (1678), iz modernog latinskog molecula, diminutiva latinke reči moles „masa, barijera“. Ovo naizgled neprecizno značenje reči (korišćeno do kasnog 18. veka samo u latinskoj formi) proističe iz Dekartesove filozofije.^[46][47]

Definicija molekula je evoluirala sa povećanjem znanja o strukturi molekula. Rane definicije su bile manje precizne, i definisale su molekule kao najmanje čestice čistih hemijskih supstanci koje zadržavaju svoju kompoziciju i hemijska svojstva.^[48] Ta definicija često nije održiva, pošto mnoge supstance, kao što su stene, soli, i metali, sastavljene od velikih kristalnih mreža hemijski vezanih atoma ili jona, i ne sastoje se od zasebnih molekula.

Većina molekula je suviše mala da bi se mogla videti golim okom, mada postoje izuzeci. DNK makromolekul može da dosegne makroskopske veličine,^[49][50] kao i molekuli mnogih polimera. Molekuli koji su uobičajeni gradivni blokovi u organskoj sintezi imaju dimenzije od nekoliko angstrema (Å) do nekoliko desetina Å. Pojedinačni molekuli se obično ne mogu uočiti putem običnog svetla (kao što je gore pomenuto), ali se mali molekuli i čak obrisi pojedinačnih atoma mogu nazreti u pojedinim okolnostima upotrebom mikroskopa atomskih sila.^[51]

Najmanji molekulski prečnik

Najmanji molekul je diatomski vodonik (H₂), sa dužinom veze od 0,74 Å.^[52][53]

Najveći molekulski prečnik

Mezoporozna silika je proizvedena sa dijametrom od 1000 Å (100 nm)^[54][55][56]

Prečnik

Efektivni molekulski prečnik je veličina koji molekul ima u rastvoru.^[57][58]Tabela permselektivnosti za razne supstance sadrži primere.^[59]

Tipovi hemijskih formula

Glavni članak: Hemijska formula

Hemijska formula molekula se sastoji od niza simbola hemijskih elemenata, brojeva, a ponekad i drugih simbola, kao što su male, srednje i vitičaste zagrade, crtice, plus (+) i minus (−) znaci. Formule su ograničene na pojedinačne tipografske linije simbola, koje mogu da obuhvate subskripte i superskripte.

Empirijska formula jedinjenja je veoma jednostavni tip hemijske fromule. Ona je najjednostavniji celobrojni odnos hemijskih elemenata od kojih se jedinjenje sastoji. Na primer, voda se uvek sastoji od atoma vodonika i kiseonika u odnosu 2:1, a etil alkohol ili etanol se uvek sastoji od ugljenika, vodonika, i kiseonika u odnosu 2:6:1. Međutim, to jedistveno ne određuje vrstu molekula – na primer dimetil etar ima isti odnos atoma kao etanol. Molekuli sa istim atomima u različitim aranžmanima se nazivaju izomerima. Takođe ugljeni hidrati, na primer, imaju isti odnos (ugljenik:vodonik:kiseonik = 1:2:1) (i stoga istu empirijsku formulu), ali različite totalne brojeve atoma u molekulu.

Molekulska formula odražava precizan broj atoma od kojih se molekul sastoji i tako karakteriše različite molekule. Različiti izomeri mogu da imaju isti atomski sastav, mada su različiti molekuli.

Empirijska formula je obično ista kao i molekulska formula, iako to nije uvek slučaj. Na primer, molekul acetilena ima molekulsku formulu C₂H₂, dok je najjednostavniji celobrojni odnos elemenata CH.

Molekulska masa se može izračunati iz hemijske formule i izražava se u konvencijalnoj atomskoj jedinici mase jednakoj 1/12 mase neutralnog atoma ugljenika-12 (¹²C izotopa). Za umrežene čvrste materije se koristi termin formula jedinice u stehiometrijskim proračunima.

Strukturna formula

Glavni članak: Strukturna formula

Za molekule sa komplikovanom trodimenzionom strukturom, posebno kod molekula koji sadrže atome sa četiri različita supstituenta, jednostavna molekulska formula ili čak polustrukturna hemijska formula, nije dovoljna da potpuno opiše molekul. U tom slučaju se koristi grafički tip formule koji se naziva strukturnom formulom.^[63][63] Strukturne formule mogu da se predstave jednodimenzionim hemijskim imenom, mada takva hemijska nomenklatura zahteva znatan broj reči i članova koji nisu deo hemijskih formula.^[64][65][66]

Poređenje različitih formula na različitim nivoima apstrakcije.

	Strukturne formule				Ostali oblici
	Luisova struktura	Valentna formula	Nata projekcija	Skeletalna formula	Konstituciona formula	Molekulska formula	Empirijska formula
Metan				ne postoji	CH4	CH4	CH4
Propan					CH3–CH2–CH3	C3H8	C3H8
Sirćetna kiselina					CH3–COOH	C2H4O2	CH2O
Voda				ne postoji	ne postoji	H2O	H2O

Opšti prostorni molekularni modeli su prostorno-punjavajući i štapićasti model.

Glavni članak: Geometrija molekula

Molekuli imaju fiksne ravnotežne geometrije — dužine veza i uglova — oko kojih oni neprestano osciluju putem vibracionih i rotacionih kretanja. Čiste supstance se sastoje od molekula sa istim prosečnim geometrijskim strukturama. Hemijska formula i struktura molekula su dva važna faktora koji određuju njegova svojstva, posebno njegovu reaktivnost. Izomeri imaju istu hemijsku formulu ali normalno imaju veoma različite osobine usled njihovih različitih struktura. Stereoizomeri, specifični tip izomera, mogu da imaju veoma slična fizičko-hemijska svojstva, a istovremeno različite biohemijske aktivnosti.^[67][68]

Glavni članak: Spektroskopija

Molekulska spektroskopija se bavi responsom (spektrom) molekula koji interaguju sa testnim signalima poznate energije (ili frekvencije, u skladu sa Plankovom formulom). Molekuli imaju kvantizovane energijske nivoe, koji se mogu analizirati detektovanjem molekulske energije razmene putem apsorbancije ili emisije.^[69]Spektroskopija se generano ne odnosi na difrakcione studije gde čestice poput neutrona, elektrona, ili visoko energetskih X-zraka formiraju interakcije sa regularnim aranžmanom molekula (kao što je to slučaj sa kristalima).

Izučavanje molekula u molekulskoj fizici i teoretskoj hemiji je uglavnom bazirano na kvantnoj mehanici i esencijalno je za razumevanje hemijske veze. Najjednostavniji molekul je vodonični molekulski jon, H₂⁺, i najjednostavnija od svih hemijskih veza je jednoelektronska veza. H₂⁺ se sastoji od dva pozitivno naelektrisana protona i jednog negativno naelektrisanog elektrona, što znači da se Šredingerova jednačina sistema može lakše rešiti usled nedostatka elektron–elektron repulzije. Sa razvojem brzih digitalnih računara, aproksimativna rešenja za komplikovanije molekule su postala moguća i jedan su od glavnih aspekata računarske hemije.^[70][71][72]

U pokušaju da rigorozno definiše aranžman atoma koji je dovoljno stabilan da bi se smatrao molekulom, IUPAC sugeriše da on mora da odgovara „udubljenju na površini potencijalne energije koje je dovoljno duboko da ograniči bar jedno vibraciono stanje“.^[4] Ova definicija nije zavisna od prirode interakcije između atoma, nego samo od jačine interakcije. Zapravo, ona obuhvata samo slabo vezane vrste aranžmana koji se tradicionalno ne bi smatrali molekulima, kao što su helijumski dimer, He₂, koji ima jedno vibraciono vezano stanje^[73] i u toj meri je labavo vezan da se jedino može uočiti na veoma niskim temperaturama.

Da li je ili ne aranžman atoma „dovoljno stabilan“ da bi se smatrao molekulom je inherentno operaciona definicija. Filozofski, stoga, molekul nije fundamentalni entitet (u kontrastu, na primer sa elementarnom česticom^[74]); već je koncept molekula hemičarski način pravljenja korisnih izjava o jačini interakcija na atomskoj skali.

Molekul na Wikimedijinoj ostavi

• Molecule of the Month – School of Chemistry, University of Bristol
• Молекулы Arhivirano 2010-11-25 na Wayback Machine-u (видеурок, программа 7 класса)
• Molecule // IUPAC Gold Book
• Molecular entity // IUPAC Gold Book
• Молекула: Сайт о Химии
• Шредингер Э. Волновая теория механики атомов и молекул. УФН 1927
• Статья «Молекула» в Физической энциклопедии