Molecule

(Imagine microscopică a forței atomice a unei molecule PTCDA, în care sunt vizibile cele cinci inele cu șase atomi de carbon. )

O moleculă este un grup neutru din punct de vedere electric de doi sau mai mulți atomi, care sunt ținuți împreună prin legături chimice. Moleculele se disting de ioni prin lipsa lor de sarcină electrică. Cu toate acestea, în fizica cuantică, chimia organică și biochimie, molecula ca termen este adesea folosit mai puțin strict, fiind de asemenea aplicat ionilor poliatomici.

În teoria cinetică a gazelor, molecula ca termen este adesea folosită pentru orice particulă gazoasă, indiferent de compoziția sa. Conform acestei definiții, atomii de gaz nobili sunt considerați molecule deoarece sunt molecule monoatomice.

O moleculă poate fi homonucleară, adică se compune din atomi ai unui element chimic, ca în cazul oxigenului (O₂); sau poate fi heteronuclear, un compus chimic compus din mai mult de un element, ca și în cazul apei (H₂O). Atomii și complexele legate prin interacțiuni necovalente, cum ar fi legăturile de hidrogen sau legăturile ionice, în general nu sunt considerate molecule unice.

Moleculele considerate componente ale materiei sunt comune în substanțele organice (și, prin urmare, în biochimie). Ele formează, de asemenea, majoritatea oceanelor și atmosferei. Cu toate acestea, majoritatea substanțelor solide familiare de pe Pământ, inclusiv majoritatea mineralelor care alcătuiesc crusta, mantaua și miezul Pământului, conțin multe legături chimice, dar nu sunt făcute din molecule identificabile. De asemenea, nu se poate defini o moleculă tipică pentru cristalele ionice (săruri) și cristalele covalente (solide de rețea), deși acestea sunt adesea compuse din celule unitate repetate care se extind fie într-un plan (cum ar fi în grafen) fie tridimensional în diamant, cuarț sau clorură de sodiu). Tema structurii unitar-celulare repetate este valabilă, de asemenea, pentru cele mai multe faze condensate cu legături metalice, ceea ce înseamnă că nici metalele solide nu sunt compuse din molecule. În sticlă (substanțele solide care există într-o stare dezordonată vitroasă), atomii pot fi, de asemenea, ținuți împreună prin legături chimice fără prezența niciunei molecule definite și nici a unei regularități a unităților repetate care

caracterizează cristalele.

(Imagine microscopică de scanare a moleculelor de pentacen, care constau din lanțuri lineare cu cinci inele de carbon. )

Legături

Moleculele sunt ținute împreună fie prin legătură covalentă, fie prin legătură ionică. Mai multe tipuri de elemente nemetalice există doar ca molecule în mediul înconjurător. De exemplu, hidrogenul există doar ca moleculă de hidrogen. O moleculă a unui compus este formată din două sau mai multe elemente.

Covalente

(O legătură covalentă care formează H₂ (dreapta) unde doi atomi de hidrogen partajează cei doi electroni. )

O legătură covalentă este o legătură chimică care implică partajarea de perechi de electroni între atomi. Aceste perechi de electroni sunt numite perechi partajate sau perechi de legături, iar echilibrul stabil al forțelor atractive și de respingere dintre atomi, atunci când partajează electronii, se numește legătură covalentă.

Ionice

 (Sodiul și fluorul supuși unei reacții redox pentru a forma fluorură de sodiu. Sodiul își pierde electronul exterior pentru a da o configurație electronică stabilă, iar acest electron intră exoterm în atomul de fluor. https://www.youtube.com/watch?v=2snHRVGGpXQ)

Legătura ionică este un tip de legătură chimică care implică atracția electrostatică dintre ionii încărcați opuși și este interacțiunea primară care apare în compușii ionici. Ionii sunt atomi care au pierdut unul sau mai mulți electroni (numiți cationi) și atomi care au câștigat unul sau mai mulți electroni (denumiți anioni). Acest transfer de electroni este numit electrovalență în contrast cu covalența. În cel mai simplu caz, cationul este un atom de metal și anionul este un atom nemetal, dar acești ioni pot fi de natură mai complicată, de ex. ioni moleculari cum ar fi NH₄⁺ sau SO₄^2-. Practic, o legătură ionică este transferul electronilor dintr-un metal într-un non-metal pentru ambii atomi pentru a obține un înveliș de valență complet.

Dimensiunea moleculară

Cele mai multe molecule sunt mult prea mici pentru a fi văzute cu ochiul liber, dar există și excepții. ADN-ul, o macromoleculă, poate ajunge la dimensiuni macroscopice, la fel ca și moleculele multor polimeri. Moleculele utilizate în mod obișnuit ca blocuri de construcție pentru sinteza organică au o dimensiune de câțiva angstromi (Å) până la câteva zeci de Å sau aproximativ o miliardime de metru. Moleculele singulare nu pot fi observate de obicei prin lumină, dar moleculele mici și chiar contururile atomilor individuali pot fi urmărite în anumite circumstanțe prin utilizarea unui microscop de ordin atomic. Unele dintre cele mai mari molecule sunt macromolecule sau supermolecule.

Cea mai mică moleculă este hidrogenul diatomic (H₂), cu o lungime de legătură de 0,74 Å.

Raza moleculară efectivă este dimensiunea unei molecule în soluție.

Geometria moleculară

(Structura și imaginea STM a unei molecule dendrimer „cianostar”. )

Moleculele au geometrii de echilibru fixe – lungimi de legătură și unghiuri – în jurul cărora oscilează continuu prin mișcări vibraționale și rotaționale. O substanță pură este compusă din molecule cu aceeași structură geometrică medie. Formula chimică și structura unei molecule sunt cei doi factori importanți care îi determină proprietățile, în special reactivitatea acesteia. Izomerii au o formulă chimică, dar în mod normal au proprietăți foarte diferite datorită structurilor lor diferite. Stereoizomerii, un tip particular de izomer, pot avea proprietăți fizico-chimice foarte asemănătoare și în același timp diferite activități biochimice.

Spectroscopia moleculară

(Hidrogenul poate fi îndepărtat din moleculele individuale de H₂TPP prin aplicarea de exces de tensiune la vârful unui microscop de scanare tunel (STM, a); această îndepărtare modifică curbele de curent-tensiune (IV) ale moleculelor TPP, măsurate folosind același vârf STM, din cea asemănătoare diodei (curba roșie c) în cea asemănătoare rezistorului (curba verde). Imaginea (c) prezintă un șir de molecule TPP, H₂TPP și TPP. În timpul scanării imaginii (d), a fost aplicat excesul de tensiune la H₂TPP în punctul negru, care a eliminat imediat hidrogenul, așa cum se arată în partea de jos a literei (d) și în imaginea rescan (e). Astfel de manipulări pot fi folosite în electronica cu o singură moleculă.)

Spectroscopia moleculară se referă la răspunsul (spectrul) moleculelor care interacționează cu semnale de detecție a energiei cunoscute (sau frecvență, conform formulei lui Planck). Moleculele au cuantificate nivelurile de energie care pot fi analizate prin detectarea schimbului de energie al moleculei prin absorbție sau emisie. Spectroscopia nu se referă, în general, la studiile de difracție în care particule cum ar fi neutronii, electronii sau razele X de înaltă energie interacționează cu un aranjament regulat de molecule (ca într-un cristal).

Spectroscopia cu microunde măsoară frecvent modificările în rotația moleculelor și poate fi utilizată pentru a identifica moleculele din spațiul cosmic. Spectroscopia în infraroșu măsoară modificările vibrațiilor moleculelor, inclusiv mișcările de întindere, îndoire sau răsucire. Este utilizată în mod obișnuit pentru a identifica tipurile de legături sau grupuri funcționale din molecule. Schimbările în aranjamentele electronilor produc linii de absorbție sau de emisie în lumina ultravioletă, vizibilă sau în apropierea infraroșu, și determină culoarea. Spectroscopia de rezonanță nucleară măsoară efectiv mediul al anumitor nuclee din moleculă și poate fi utilizată pentru a caracteriza numărul de atomi în diferite poziții dintr-o moleculă.

Aspecte teoretice

Studiul moleculelor prin fizica moleculară și chimia teoretică se bazează în mare măsură pe mecanica cuantică și este esențial pentru înțelegerea legăturii chimice. Cea mai simplă moleculă este molecula-ion de hidrogen, H₂⁺, iar cea mai simplă dintre toate legăturile chimice este legătura cu un singur electron. H₂⁺ este compus din doi protoni încărcați pozitiv și un electron încărcat negativ, ceea ce înseamnă că ecuația Schrödinger pentru sistem poate fi rezolvată mai ușor datorită lipsei repulsiei electron-electron. Odată cu dezvoltarea calculatoarelor digitale rapide, soluțiile aproximative pentru molecule mai complicate au devenit posibile și sunt unul dintre principalele aspecte ale chimiei computaționale.

Când încercăm să definim riguros dacă un aranjament de atomi este suficient de stabil pentru a fi considerat o moleculă, IUPAC sugerează că aceasta „trebuie să corespundă unei depresiuni pe suprafața potențială a energiei suficient de adâncă pentru a limita cel puțin o stare vibrațională”. Această definiție nu depinde de natura interacțiunii dintre atomi, ci numai de puterea interacțiunii. De fapt, ea include specii slab legate care nu ar fi considerate în mod tradițional molecule, cum ar fi dimerul de heliu, He₂, care are o stare legată vibrațională și este legată atât de slab încât este posibil să fie observată doar la temperaturi foarte scăzute.

Indiferent dacă un aranjament de atomi este suficient de stabil pentru a fi considerat o moleculă, este în mod inerent o definiție operațională. Prin urmare, din punct de vedere filosofic, o moleculă nu este o entitate fundamentală (spre deosebire, spre exemplu, de particule elementare); mai degrabă, conceptul de moleculă este modalitatea chimistului de a face o declarație utilă despre puterile interacțiunilor la scară atomică din lume pe care le observăm.