Молекул

3Д (лево и центар) и 2Д репрезентације терпеноидног[1] молекула атисана

Молекул (лат. molecula: мала маса, од лат. moles: маса), стабилна целина удружених атома. Молекул чине атоми (два или више) повезани електронима у ковалентној вези.[2][3] Молекул се може састојати од атома истих елемената (молекул елемента) на пример кисеоник у ваздуху који удишемо налази се у молекули O2.[4][5][6][7] Може се састојати и од атома различитих елемената (молекул једињења) на пример водоник (H) и кисеоник (O) граде воду H2O.

Молекули су сувише мали да би се видели голим оком. Димензија су од 0,1 до 100 нанометара (0,0000000001 до 0,00000001 m) мада има и изузетака. Рецимо макромолекул ДНК[8] а нарочито инструменталне методе.[9][10][11][12][13][14]

Однос елемената који граде једињење,[15][16] изражава се емпиријском формулом.[17] На пример, воду граде водоник и кисеоник у односу 2:1, H2O, а етил алкохол, (етанол[18]) угљеник, водоник и кисеоник у односу 2:6:1, C2H6O. Овај однос не мора увек да одређује јединствени молекул - диметил етар[19] има исти однос као етанол, на пример. Молекули који се састоје од истих атома али у различитом распореду се зову изомери.[20]

Хемијска или молекулска формула одређује тачније редослед атома који граде молекул па је формула етанола CH3CH2OH а диметилетра CH3OCH3. За представљање сложенијих молекула где атоми могу бити различито распоређени у простору користе се структурне формуле. Молекулска маса је збир маса атома који чине молекул, и попут атомске, изражава се у атомским јединицама масе (атомска јединица масе = 1/12 масе изотопа 12C).[21][22]

Дуго се мислило да су дужине хемијски веза и њихови углови у молекулу константни. Међутим, модерним структурним методама нађено је да се геометрија хемијске везе незнатно мења, нарочито код сложенијих молекула.

Наука о молекулима се назива молекулском хемијом или молекулском физиком,[23][24] у зависности од тога да ли је фокус на хемији или физици. Молекулска хемија се бави законима који владају над интеракцијама између молекула које доводе до формирања и разлагања хемијских веза, док се молекулска физика бави законима о молекулским структурама и њиховим својствима. Међутим, у пракси разлика није јасно дефинисана. У наукама о молекулима, молекул се састоји од стабилног система са два или више атома. Полиатомиски јони се могу сматрати наелектрисаним молекулима. Термин нестабилни молекул се користи за веома реактивне врсте, тј., краткотрајне констракте (резонанције) електрона и језгара, као што су радикали,[25][26] молекулски јони,[27] Ридбергови молекули,[28][29] прелазна стања,[30][31] ван дер Валсови комплекси,[32][33][34] или системи колизирајућих атома као у Бозе-Ајнштајновом кондензату.[35][36]

Историја и етимологија

Главни чланак: Историја молекулске теорије
Џон Далтон[37][38]

У Merriam-Webster речнику[39] и Онлајн етимолошком речнику,[40] реч "молекул" је изведена из латинске речи "мол" или мала јединица масе.

Молекул (1794) – „екстремно мала честица“, од фр. molécule (1678), из модерног латинског molecula, диминутива латинке речи moles „маса, баријера“. Ово наизглед непрецизно значење речи (коришћено до касног 18. века само у латинској форми) проистиче из Декартесове филозофије.[41][42]

Дефиниција молекула је еволуирала са повећањем знања о структури молекула. Ране дефиниције су биле мање прецизне, и дефинисале су молекуле као најмање честице чистих хемијских супстанци које задржавају своју композицију и хемијска својства.[43] Та дефиниција често није одржива, пошто многе супстанце, као што су стене, соли, и метали, састављене од великих кристалних мрежа хемијски везаних атома или јона, и не састоје се од засебних молекула.

Величина молекула

Већина молекула је сувише мала да би се могла видети голим оком, мада постоје изузеци. ДНК макромолекул може да досегне макроскопске величине,[44][45] као и молекули многих полимера. Молекули који су уобичајени градивни блокови у органској синтези имају димензије од неколико ангстрема (Å) до неколико десетина Å. Појединачни молекули се обично не могу уочити путем обичног светла (као што је горе поменуто), али се мали молекули и чак обриси појединачних атома могу назрети у појединим околностима употребом микроскопа атомских сила.[46]

Најмањи молекулски пречник

Најмањи молекул је диатомски водоник (H2), са дужином везе од 0,74 Å.[47][48]

Највећи молекулски пречник

Мезопорозна силика је произведена са дијаметром од 1000 Å (100 nm)[49][50][51]

Пречник

Ефективни молекулски пречник је величина који молекул има у раствору.[52][53] Табела пермселективности за разне супстанце садржи примере.[54]

Формуле молекула

Типови хемијских формула

Главни чланак: Хемијска формула

Хемијска формула молекула се састоји од низа симбола хемијских елемената, бројева, а понекад и других симбола, као што су мале, средње и витичасте заграде, цртице, плус (+) и минус (−) знаци. Формуле су ограничене на појединачне типографске линије симбола, које могу да обухвате субскрипте и суперскрипте.

Емпиријска формула једињења је веома једноставни тип хемијске формуле. Она је најједноставнији целобројни однос хемијских елемената од којих се једињење састоји. На пример, вода се увек састоји од атома водоника и кисеоника у односу 2:1, а етил алкохол или етанол се увек састоји од угљеника, водоника, и кисеоника у односу 2:6:1. Међутим, то јединствено не одређује врсту молекула – на пример диметил етар има исти однос атома као етанол. Молекули са истим атомима у различитим аранжманима се називају изомерима. Такође угљени хидрати, на пример, имају исти однос (угљеник:водоник:кисеоник = 1:2:1) (и стога исту емпиријску формулу), али различите тоталне бројеве атома у молекулу.

Молекулска формула одражава прецизан број атома од којих се молекул састоји и тако карактерише различите молекуле. Различити изомери могу да имају исти атомски састав, мада су различити молекули.

Емпиријска формула је обично иста као и молекулска формула, иако то није увек случај. На пример, молекул ацетилена има молекулску формулу C2H2, док је најједноставнији целобројни однос елемената CH.

Молекулска маса се може израчунати из хемијске формуле и изражава се у конвенцијалној атомској јединици масе једнакој 1/12 масе неутралног атома угљеника-12 (12C изотопа). За умрежене чврсте материје се користи термин формула јединице у стехиометријским прорачунима.

Структурна формула

Главни чланак: Структурна формула
Скелетална структурна формула витамина Б12.[55][56][57] Многи органски молекули су сувише компликовани да би се специфицирали хемијском формулом (молекулском формулом).

За молекуле са компликованом тродимензионом структуром, посебно код молекула који садрже атоме са четири различита супституента, једноставна молекулска формула или чак полуструктурна хемијска формула, није довољна да потпуно опише молекул. У том случају се користи графички тип формуле који се назива структурном формулом.[58][58] Структурне формуле могу да се представе једнодимензионим хемијским именом, мада таква хемијска номенклатура захтева знатан број речи и чланова који нису део хемијских формула.[59][60][61]

Поређење различитих формула на различитим нивоима апстракције.
Структурне формуле Остали облици
Луисова структура Валентна формула Ната пројекција Скелетална формула Конституциона формула Молекулска формула Емпиријска формула
Метан не постоји CH4 CH4 CH4
Пропан CH3–CH2–CH3 C3H8 C3H8
Сирћетна киселина CH3–COOH C2H4O2 CH2O
Вода не постоји не постоји H2O H2O

Општи просторни молекуларни модели су просторно-пуњавајући и штапићасти модел.

Геометрија молекула

Главни чланак: Геометрија молекула

Молекули имају фиксне равнотежне геометрије — дужине веза и углова — око којих они непрестано осцилују путем вибрационих и ротационих кретања. Чисте супстанце се састоје од молекула са истим просечним геометријским структурама. Хемијска формула и структура молекула су два важна фактора који одређују његова својства, посебно његову реактивност. Изомери имају исту хемијску формулу али нормално имају веома различите особине услед њихових различитих структура. Стереоизомери, специфични тип изомера, могу да имају веома слична физичко-хемијска својства, а истовремено различите биохемијске активности.[62][63]

Молекулска спектроскопија

Главни чланак: Спектроскопија

Молекулска спектроскопија се бави респонсом (спектром) молекула који интерагују са тестним сигналима познате енергије (или фреквенције, у складу са Планковом формулом). Молекули имају квантизоване енергијске нивое, који се могу анализирати детектовањем молекулске енергије размене путем апсорбанције или емисије.[64] Спектроскопија се генерално не односи на дифракционе студије где честице попут неутрона, електрона, или високо енергетских X-зрака формирају интеракције са регуларним аранжманом молекула (као што је то случај са кристалима).

Теоретски аспекти

Изучавање молекула у молекулској физици и теоретској хемији је углавном базирано на квантној механици и есенцијално је за разумевање хемијске везе. Најједноставнији молекул је водонични молекулски јон, H2+, и најједноставнија од свих хемијских веза је једноелектронска веза. H2+ се састоји од два позитивно наелектрисана протона и једног негативно наелектрисаног електрона, што значи да се Шредингерова једначина система може лакше решити услед недостатка електрон–електрон репулзије. Са развојем брзих дигиталних рачунара, приближна решења за компликованије молекуле су постала могућа и један су од главних аспеката рачунарске хемије.[65][66][67]

У покушају да ригорозно дефинише аранжман атома који је довољно стабилан да би се сматрао молекулом, IUPAC сугерише да он мора да одговара „удубљењу на површини потенцијалне енергије које је довољно дубоко да ограничи бар једно вибрационо стање“.[4] Ова дефиниција није зависна од природе интеракције између атома, него само од јачине интеракције. Заправо, она обухвата само слабо везане врсте аранжмана који се традиционално не би сматрали молекулима, као што су хелијумски димер, He2, који има једно вибрационо везано стање[68] и у тој мери је лабаво везан да се једино може уочити на веома ниским температурама.

Да ли је или не аранжман атома „довољно стабилан“ да би се сматрао молекулом је инхерентно операциона дефиниција. Филозофски, стога, молекул није фундаментални ентитет (у контрасту, на пример са елементарном честицом[69]); већ је концепт молекула хемичарски начин прављења корисних изјава о јачини интеракција на атомској скали.

Види још

Референце

  1. ^ Firn 2010
  2. ^ March 1992.
  3. ^ Miessler & Tarr 2004. sfn грешка: више циљева (2×): CITEREFMiesslerTarr2004 (help)
  4. ^ а б IUPAC (1994). „molecule”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
  5. ^ Puling 1970.
  6. ^ Ebbin 1990. sfn грешка: више циљева (2×): CITEREFEbbin1990 (help)
  7. ^ Brown et al. 2003
  8. ^ Mount 1997, стр. 1.
  9. ^ Nieman, Skoog & Holler 1998
  10. ^ Wilkins, C. (1983). „Hyphenated techniques for analysis of complex organic mixtures”. Science. 222 (4621): 291—6. Bibcode:1983Sci...222..291W. PMID 6353577. doi:10.1126/science.6353577. 
  11. ^ Holt, R. M.; Newman, M. J.; Pullen, F. S.; Richards, D. S.; Swanson, A. G. (1997). „High-performance Liquid Chromatography/NMR Spectrometry/Mass Spectrometry:Further Advances in Hyphenated Technology”. Journal of Mass Spectrometry. 32 (1): 64—70. Bibcode:1997JMSp...32...64H. PMID 9008869. doi:10.1002/(SICI)1096-9888(199701)32:1<64::AID-JMS450>3.0.CO;2-7. 
  12. ^ Ellis, Lyndon A.; Roberts, David J. (1997). „Chromatographic and hyphenated methods for elemental speciation analysis in environmental media”. Journal of Chromatography A. 774 (1–2): 3—19. PMID 9253184. doi:10.1016/S0021-9673(97)00325-7. 
  13. ^ Guetens, G; De Boeck, G; Wood, M; Maes, R.A.A; Eggermont, A.A.M; Highley, M.S; Van Oosterom, A.T; De Bruijn, E.A; Tjaden, U.R (2002). „Hyphenated techniques in anticancer drug monitoring”. Journal of Chromatography A. 976 (1–2): 229—38. PMID 12462614. doi:10.1016/S0021-9673(02)01228-1. 
  14. ^ Guetens, G; De Boeck, G; Highley, M.S; Wood, M; Maes, R.A.A; Eggermont, A.A.M; Hanauske, A; De Bruijn, E.A; Tjaden, U.R (2002). „Hyphenated techniques in anticancer drug monitoring”. Journal of Chromatography A. 976 (1–2): 239—47. PMID 12462615. doi:10.1016/S0021-9673(02)01227-X. 
  15. ^ Zumdahl, Steven S. Chemical Principles. Houghton Mifflin, New York (2005). pp. 148-150.
  16. ^ Internal Combustion Engine Fundamentals, John B. Heywood
  17. ^ IUPAC. „Empirical formula”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
  18. ^ González, Begoña; Calvar, Noelia; Gómez, Elena; Domínguez, Ángeles (2007). „Density, dynamic viscosity, and derived properties of binary mixtures of methanol or ethanol with water, ethyl acetate, and methyl acetate at T = (293.15, 298.15, and 303.15) K”. The Journal of Chemical Thermodynamics. 39 (12): 1578—1588. doi:10.1016/j.jct.2007.05.004. 
  19. ^ „dimethyl ether - PubChem Public Chemical Database”. The PubChem Project. USA: National Center for Biotechnology Information.  Недостаје или је празан параметар |url= (помоћ)
  20. ^ Eliel 1994, стр. 52–53
  21. ^ Choppin, Liljenzin & Rydberg 1995, стр. 3–5
  22. ^ Soddy, Frederick (1913). „The Radio-Elements and the Periodic Law”. Nature. 91 (2264): 57—58. Bibcode:1913Natur..91...57S. S2CID 3975657. doi:10.1038/091057a0. 
  23. ^ A.R. Leach (2001). Molecular Modelling: Principles and Applications. Prentice Hall. ISBN 978-0-582-38210-7. 
  24. ^ Frenkel 1996
  25. ^ Oakley, Richard T. (1988). Progress in Inorganic Chemistry. Cyclic and Heterocyclic Thiazenes (PDF). 36. стр. 299—391. ISBN 978-0-470-16637-6. doi:10.1002/9780470166376.ch4. Архивирано из оригинала (PDF) 23. 09. 2015. г. Приступљено 14. 02. 2017. 
  26. ^ Rawson, J; Banister, A; Lavender, I (1995). Advances in Heterocyclic Chemistry Volume 62. The Chemistry of Dithiadiazolylium and Dithiadiazolyl Rings. 62. стр. 137—247. ISBN 978-0-12-020762-6. doi:10.1016/S0065-2725(08)60422-5. 
  27. ^ Chemical elements listed by ionization energy. Lenntech.com
  28. ^ Molecular Spectra and Molecular Structure, Vol. I, II and III Gerhard Herzberg, Krieger Pub. Co, revised ed. 1991.
  29. ^ Karplus, Martin; Porter, Richard N. (1970). Atoms and Molecules: An Introduction for Students of Physical Chemistry. Benjamin & Company, Inc. ISBN 9780805352184. 
  30. ^ Solomons 2004
  31. ^ Jensen, Frank (1999). Introduction to Computational Chemistry. England: John Wiley and Sons Ltd. 
  32. ^ Sears, Francis Weston; Young, Hugh D.; Freedman, Roger A.; Ford, A. G. (2004). Sears and Zemansky's university physics with modern physics (11th изд.). San Francisco: Pearson Addison Wesley. ISBN 978-0-8053-8684-4. 
  33. ^ Milton, Kimball A.; Iver Brevik; V. N. Marachevsky (1999). „The Casimir Effect: Physical Manifestations of Zero Point Energy”. Bibcode:1999hep.th....1011M. arXiv:hep-th/9901011 Слободан приступ. 
  34. ^ Sears, Francis Weston; Young, Hugh D.; Freedman, Roger A.; Ford, A. G. (2004). Sears and Zemansky's university physics with modern physics (11th изд.). San Francisco: Pearson Addison Wesley. 
  35. ^ L. Landau]] (1941). „Theory of the Superfluidity of Helium II”. Physical Review. 60 (4): 356—358. Bibcode:1941PhRv...60..356L. doi:10.1103/PhysRev.60.356. 
  36. ^ M.H. Anderson; J.R. Ensher; M.R. Matthews; C.E. Wieman; E.A. Cornell (1995). „Observation of Bose–Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor”. Science. 269 (5221): 198—201. Bibcode:1995Sci...269..198A. JSTOR 2888436. PMID 17789847. S2CID 540834. doi:10.1126/science.269.5221.198. 
  37. ^ „John Dalton”. Chemical Heritage Foundation. Приступљено 19. 1. 2014. 
  38. ^ Smith 1856, стр. 279.
  39. ^ „About Charles Merriam”. wbrookfieldlibrary.org. Архивирано из оригинала 27. 01. 2010. г. Приступљено 4. 2. 2010. 
  40. ^ „Online Etymology Dictionary”. Ohio University. 2003. Архивирано из оригинала 11. 2. 2007. г. Приступљено 5. 1. 2007. 
  41. ^ Russell 1946, стр. 516
  42. ^ Watson, Richard A. (2012). „René Descartes”. Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica Inc. Приступљено 31. 3. 2012. 
  43. ^ Molecule Definition Архивирано на сајту Wayback Machine (13. октобар 2014) (Frostburg State University)
  44. ^ Reif 1965, стр. 2
  45. ^ Jaeger, Gregg (2014). „What in the (quantum) world is macroscopic?”. American Journal of Physics. 82 (9): 896—905. Bibcode:2014AmJPh..82..896J. doi:10.1119/1.4878358. 
  46. ^ Lang, D. P.; Hite; Simmonds; McDermott; Pappas; Martinis, John M. (2004). „Conducting atomic force microscopy for nanoscale tunnel barrier characterization”. Review of Scientific Instruments. 75 (8): 2726—2731. Bibcode:2004RScI...75.2726L. doi:10.1063/1.1777388. Архивирано из оригинала 23. 2. 2013. г. Приступљено 14. 2. 2017. 
  47. ^ DeKock 1989, стр. 199
  48. ^ Hammond, C.R. (2012). „Section 4: Properties of the Elements and Inorganic Compounds”. Handbook of Chemistry and Physics (PDF). Архивирано из оригинала (PDF) 11. 11. 2011. г. Приступљено 14. 02. 2017. 
  49. ^ Mann, Benjamin F.; Amanda, P K.. Mann; Skrabalak, Sara E.; Novotny, Milos V. (2013). „Sub 2-μm Macroporous Silica Particles Derivatized for Enhanced Lectin Affinity Enrichment of Glycoproteins”. Anal. Chem. 85 (3): 1905—1912. PMC 3586544 Слободан приступ. PMID 23278114. doi:10.1021/ac303274w. 
  50. ^ Katiyar, Amit; Yadav, Santosh; Panagiotis, G; Neville, Smirniotis; Pinto, G (2006). „Synthesis of ordered large pore SBA-15 spherical particles for adsorption of biomolecules”. Journal of Chromatography. 1122 (1–2): 13—20. PMID 16716334. doi:10.1016/j.chroma.2006.04.055. 
  51. ^ Trewyn, Brian G.; Nieweg, Jennifer A.; Zhao, Yannan; Lin, Victor S.-Y. (2007). „Biocompatible mesoporous silica nanoparticles with different morphologies for animal cell membrane penetration”. Chemical Engineering Journal. 137 (137): 23—29. doi:10.1016/j.cej.2007.09.045. 
  52. ^ Chang, RL; Deen, WM; Robertson, CR; Brenner BM. (1975). „Permselectivity of the glomerular capillary wall: III. Restricted transport of polyanions”. Kidney Int. 8 (4): 212—218. PMID 1202253. doi:10.1038/ki.1975.104. 
  53. ^ Chang, RL; Ueki, IF; Troy, JL; Deen, WM; et al. (1975). „Permselectivity of the glomerular capillary wall to macromolecules. II. Experimental studies in rats using neutral dextran”. Biophys J. 15 (9): 887—906. Bibcode:1975BpJ....15..887C. PMC 1334749 Слободан приступ. PMID 1182263. doi:10.1016/S0006-3495(75)85863-2. 
  54. ^ Boron, Walter F.; Boulpaep, Emile L. (2005). Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approach. Elsevier/Saunders. стр. 761. ISBN 978-1-4160-2328-9. 
  55. ^ Herbert, Victor (1988). „Vitamin B-12: Plant sources, requirements, and assay” (PDF). The American Journal of Clinical Nutrition. 48 (3 Suppl): 852—8. PMID 3046314. doi:10.1093/ajcn/48.3.852. 
  56. ^ Wakayama EJ, Dillwith JW, Howard RW, Blomquist GJ (1984). „Vitamin B12 levels in selected insects”. Insect Biochemistry. 14 (2): 175—179. doi:10.1016/0020-1790(84)90027-1. 
  57. ^ Albert MJ, Mathan VI, Baker SJ (1980). „Vitamin B12 synthesis by human small intestinal bacteria”. INature. 283 (5749): 781—782. Bibcode:1980Natur.283..781A. PMID 7354869. S2CID 4302293. doi:10.1038/283781a0. 
  58. ^ а б Brecher, J. (2006). „Graphical representation of stereochemical configuration (IUPAC Recommendations 2006)” (PDF). Pure and Applied Chemistry. 78 (10): 1897—1970. S2CID 97528124. doi:10.1351/pac200678101897. 
  59. ^ Nomenclature of Organic Chemistry (3rd изд.). London: Butterworths. 1971 [1958 (A: Hydrocarbons, and B: Fundamental Heterocyclic Systems), 1965 (C: Characteristic Groups)]. ISBN 978-0-408-70144-0. 
  60. ^ Rigaudy, J.; Klesney, S. P., ур. (1979). Nomenclature of Organic Chemistry. IUPAC/Pergamon Press. ISBN 0-08022-3699. . IUPAC, A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds (the Blue Book); Oxford: Blackwell Science (1993). ISBN 0-632-03488-2. Online edition: [1]. . IUPAC, Chemical Nomenclature and Structure Representation Division (27. 10. 2004). Nomenclature of Organic Chemistry (Provisional Recommendations). IUPAC. 
  61. ^ Compendium of Terminology and Nomenclature of Properties in Clinical Laboratory Sciences. IMPACT Recommendations 1995. Oxford: Blackwell Science. 1995. ISBN 978-0-86542-612-2. 
  62. ^ Eliel, Ernest L.; Wilen, Samuel H. (1994). Stereochemistry of Organic Compounds (1 изд.). Wiley, John & Sons, Incorporated. ISBN 978-0-471-01670-0. 
  63. ^ Eliel, Ernest L.; Wilen, Samuel H.; Doyle, Michael P. (2001). Basic Organic Stereochemistry (1. изд.). Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-37499-2. 
  64. ^ IUPAC (1997,2006). „spectroscopy”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
  65. ^ Shankar 1994, стр. 143–.
  66. ^ P. A. M. Dirac (1958). Principles of Quantum Mechanics (4th изд.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-851208-0. 
  67. ^ Müller-Kirsten, H. J. W. (2012). Introduction to Quantum Mechanics: Schrödinger Equation and Path Integral (2nd изд.). World Scientific. ISBN 978-981-4397-74-2. 
  68. ^ Anderson, JB (2004). „Comment on "An exact quantum Monte Carlo calculation of the helium-helium intermolecular potential"”. J Chem Phys. 120 (20): 9886—7. Bibcode:2004JChPh.120.9886A. PMID 15268005. doi:10.1063/1.1704638. 
  69. ^ Braibant, Sylvie; Giacomelli, Giorgio; Spurio, Maurizio (2012). Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics (2nd изд.). Springer. стр. 1—3. ISBN 978-94-007-2463-1. 

Литература

Спољашње везе