Molekül
_STM.jpg)
Bir molekül, kimyasal bağlar olarak bilinen çekici kuvvetler tarafından bir arada tutulan iki veya daha fazla atomdan oluşan bir gruptur; bağlama bağlı olarak, terim bu kriteri karşılayan iyonları içerebilir veya içermeyebilir. Kuantum fiziği, organik kimya ve biyokimyada, iyonlardan ayrım kaldırılır ve molekül genellikle çok atomlu iyonlara atıfta bulunulurken kullanılır. ⓘ
Gazların kinetik teorisinde, molekül terimi genellikle bileşimine bakılmaksızın herhangi bir gaz parçacığı için kullanılır. Bu, soy gazlar tek tek atomlar olduğundan, bir molekülün iki veya daha fazla atom içermesi gerekliliğini gevşetir. ⓘ
Bir molekül homonükleer olabilir, yani bir kimyasal elementin atomlarından oluşabilir, örneğin oksijen molekülündeki iki atom (O2); veya heteronükleer olabilir, birden fazla elementten oluşan kimyasal bir bileşik, örneğin su (iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu; H2O). ⓘ
Hidrojen bağları veya iyonik bağlar gibi kovalent olmayan etkileşimlerle bağlanan atomlar ve kompleksler tipik olarak tek molekül olarak kabul edilmez. ⓘ
Maddenin bileşenleri olarak moleküller yaygındır. Ayrıca okyanusların ve atmosferin çoğunu oluştururlar. Organik maddelerin çoğu moleküldür. Yaşamın maddeleri moleküllerdir, örneğin proteinler, oluştukları amino asitler, nükleik asitler (DNA ve RNA), şekerler, karbonhidratlar, yağlar ve vitaminler. Besin mineralleri genellikle iyonik bileşiklerdir, dolayısıyla molekül değildirler, örneğin demir sülfat. ⓘ
Bununla birlikte, Dünya'daki bilinen katı maddelerin çoğu kısmen veya tamamen kristallerden veya moleküllerden oluşmayan iyonik bileşiklerden yapılmıştır. Bunlar arasında Dünya'nın özünü oluşturan tüm mineraller, kum, kil, çakıl taşları, kayalar, ana kaya, erimiş iç kısım ve Dünya'nın çekirdeği sayılabilir. Bunların hepsi birçok kimyasal bağ içerir, ancak tanımlanabilir moleküllerden oluşmazlar. ⓘ
Tuzlar ya da kovalent kristaller için tipik bir molekül tanımlanamaz, ancak bunlar genellikle grafen gibi bir düzlemde ya da elmas, kuvars, sodyum klorür gibi üç boyutlu olarak uzanan tekrar eden birim hücrelerden oluşur. Tekrarlanan birim hücresel yapı teması, metalik bağlarla yoğunlaşmış fazlar olan çoğu metal için de geçerlidir. Dolayısıyla katı metaller moleküllerden oluşmaz. ⓘ
Camsı düzensiz bir halde bulunan katılar olan camlarda atomlar, tanımlanabilir herhangi bir molekül ya da tuzları, kovalent kristalleri ve metalleri karakterize eden tekrar eden birim-hücresel yapının herhangi bir düzenliliği olmaksızın kimyasal bağlarla bir arada tutulur. ⓘ
Moleküler bilim
Molekül bilimi, kimya veya fiziğe odaklanılmasına bağlı olarak moleküler kimya veya moleküler fizik olarak adlandırılır. Moleküler kimya, kimyasal bağların oluşumu ve kırılmasıyla sonuçlanan moleküller arasındaki etkileşimi yöneten yasalarla ilgilenirken, moleküler fizik yapılarını ve özelliklerini yöneten yasalarla ilgilenir. Ancak pratikte bu ayrım belirsizdir. Moleküler bilimlerde bir molekül, iki veya daha fazla atomdan oluşan kararlı bir sistemden (bağlı durum) oluşur. Poliatomik iyonlar bazen elektrik yüklü moleküller olarak düşünülebilir. Kararsız molekül terimi, radikaller, moleküler iyonlar, Rydberg molekülleri, geçiş durumları, van der Waals kompleksleri veya Bose-Einstein yoğuşmasında olduğu gibi çarpışan atom sistemleri gibi çok reaktif türler, yani elektron ve çekirdeklerin kısa ömürlü birleşimleri (rezonanslar) için kullanılır. ⓘ
Tarihçe ve etimoloji
Merriam-Webster ve Online Etimoloji Sözlüğü'ne göre "molekül" kelimesi Latince "mol" veya küçük kütle biriminden türemiştir.
- Molekül (1794) - "son derece küçük parçacık", Fransızca molécule'den (1678), Yeni Latince molecula'dan, Latince moles "kütle, bariyer" kelimesinin küçültülmüş hali. Başlangıçta muğlak bir anlamı vardı; kelimenin modası (18. yüzyılın sonlarına kadar sadece Latince formunda kullanılıyordu) Descartes felsefesine kadar izlenebilir. ⓘ
Molekülün tanımı, moleküllerin yapısı hakkındaki bilgi arttıkça gelişmiştir. Daha önceki tanımlar daha az kesindi ve molekülleri, bileşimlerini ve kimyasal özelliklerini hala koruyan saf kimyasal maddelerin en küçük parçacıkları olarak tanımlıyordu. Kayalar, tuzlar ve metaller gibi sıradan deneyimlerdeki birçok madde, kimyasal olarak bağlanmış atomların veya iyonların büyük kristal ağlarından oluştuğu, ancak ayrı moleküllerden yapılmadığı için bu tanım genellikle bozulur. ⓘ
Bağlanma
Moleküller genellikle kovalent bağlarla bir arada tutulur. Metalik olmayan bazı elementler çevrede serbest atomlar olarak değil, sadece moleküller olarak ya bileşikler halinde ya da homonükleer moleküller olarak bulunurlar: örneğin hidrojen. ⓘ
Bazı insanlar metalik bir kristalin metalik bağlarla bir arada tutulan tek bir dev molekül olarak düşünülebileceğini söylerken, diğerleri metallerin moleküllerden çok farklı davrandığına işaret etmektedir. ⓘ
Kovalent
İki veya daha fazla atomun elektron paylaşımı sonucu oluşan bağ moleküler bağdır. Bağı oluşturan her bir atom elektron çiftine bir elektron sağlar. Bu bağ eğer iki aynı atomdan oluşmuş ise, oluşturulan bağa apolar kovalent bağ denir. Elektron çifti her iki atoma da eşit uzaklıktadır. Öte yandan bağ eğer iki farklı atom tarafından oluşturulmuş ise oluşturulan bağ polar kovalent bağ olarak adlandırılır. Bu durumda elektronegatifliği daha yüksek olan atomun elektron yoğunluğu negatifliği az olan atoma göre artar. ⓘ
İyonik
İyonik bağ, zıt yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik çekimi içeren bir kimyasal bağ türüdür ve iyonik bileşiklerde meydana gelen birincil etkileşimdir. İyonlar, bir veya daha fazla elektron kaybetmiş atomlar (katyon olarak adlandırılır) ve bir veya daha fazla elektron kazanmış atomlardır (anyon olarak adlandırılır). Elektronların bu transferi kovalansın aksine elektrovalans olarak adlandırılır. En basit durumda, katyon bir metal atomu ve anyon bir ametal atomudur, ancak bu iyonlar NH4+ veya SO42- gibi moleküler iyonlar gibi daha karmaşık bir yapıda olabilir. Normal sıcaklık ve basınçlarda, iyonik bağlar çoğunlukla ayrı tanımlanabilir molekülleri olmayan katılar (veya bazen sıvılar) oluşturur, ancak bu tür malzemelerin buharlaşması / süblimleşmesi, elektronların hala bağların kovalent yerine iyonik olarak kabul edilmesi için yeterince tam olarak aktarıldığı ayrı moleküller üretir. ⓘ
Moleküler boyut
Çoğu molekül çıplak gözle görülemeyecek kadar küçüktür, ancak DNA gibi biyopolimerler de dahil olmak üzere birçok polimerin molekülleri makroskopik boyutlara ulaşabilir. Genellikle organik sentez için yapı taşı olarak kullanılan moleküller birkaç angstrom (Å) ila birkaç düzine Å veya metrenin milyarda biri kadar bir boyuta sahiptir. Tek moleküller genellikle ışıkla gözlemlenemez (yukarıda belirtildiği gibi), ancak küçük moleküller ve hatta tek tek atomların ana hatları bazı durumlarda atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak izlenebilir. En büyük moleküllerden bazıları makromoleküller veya süpermoleküllerdir. ⓘ
En küçük molekül, 0,74 Å bağ uzunluğu ile iki atomlu hidrojendir (H2). ⓘ
Etkin moleküler yarıçap, bir molekülün çözelti içinde gösterdiği boyuttur. Farklı maddeler için permselektivite tablosu örnekler içerir. ⓘ
Moleküler formüller
Kimyasal formül türleri
Bir molekülün kimyasal formülünde bir satır kimyasal element sembolleri, sayılar ve bazen de parantez, tire, parantez ve artı (+) ve eksi (-) işaretleri gibi diğer semboller kullanılır. Bunlar, alt ve üst simgeleri içerebilen tek bir tipografik simge satırıyla sınırlıdır. ⓘ
Bir bileşiğin ampirik formülü çok basit bir kimyasal formül türüdür. Bileşiği oluşturan kimyasal elementlerin en basit tamsayı oranıdır. Örneğin, su her zaman 2:1 oranında hidrojen ve oksijen atomlarından oluşur ve etanol (etil alkol) her zaman 2:6:1 oranında karbon, hidrojen ve oksijenden oluşur. Ancak bu, molekülün türünü tek başına belirlemez - örneğin dimetil eter, etanol ile aynı oranlara sahiptir. Aynı atomlara farklı düzenlerde sahip moleküllere izomer denir. Örneğin karbonhidratlar da aynı orana (karbon:hidrojen:oksijen= 1:2:1) (ve dolayısıyla aynı ampirik formüle) sahiptir ancak moleküldeki toplam atom sayıları farklıdır. ⓘ
Moleküler formül, molekülü oluşturan atomların tam sayısını yansıtır ve bu nedenle farklı molekülleri karakterize eder. Ancak farklı izomerler farklı moleküller olmalarına rağmen aynı atomik bileşime sahip olabilirler. ⓘ
Ampirik formül genellikle moleküler formülle aynıdır ancak her zaman aynı değildir. Örneğin, asetilen molekülü C2H2 moleküler formülüne sahiptir, ancak elementlerin en basit tamsayı oranı CH'dir. ⓘ
Moleküler kütle kimyasal formülden hesaplanabilir ve nötr karbon-12 (12C izotopu) atomunun kütlesinin 1/12'sine eşit geleneksel atomik kütle birimleriyle ifade edilir. Ağ katıları için formül birimi terimi stokiyometrik hesaplamalarda kullanılır. ⓘ
Yapısal formül
Özellikle dört farklı sübstitüente bağlı atomları içeren karmaşık 3 boyutlu yapıya sahip moleküller için, basit bir moleküler formül veya hatta yarı yapısal kimyasal formül molekülü tamamen belirtmek için yeterli olmayabilir. Bu durumda, yapısal formül adı verilen grafiksel bir formül türüne ihtiyaç duyulabilir. Yapısal formüller de tek boyutlu bir kimyasal isimle temsil edilebilir, ancak bu tür kimyasal isimlendirme, kimyasal formüllerin parçası olmayan birçok kelime ve terim gerektirir. ⓘ
Moleküler geometri
Moleküllerin sabit denge geometrileri (bağ uzunlukları ve açıları) vardır ve bunlar titreşim ve dönme hareketleri yoluyla sürekli olarak salınırlar. Saf bir madde, aynı ortalama geometrik yapıya sahip moleküllerden oluşur. Bir molekülün kimyasal formülü ve yapısı, özelliklerini, özellikle de reaktivitesini belirleyen iki önemli faktördür. İzomerler kimyasal bir formülü paylaşırlar ancak farklı yapıları nedeniyle normalde çok farklı özelliklere sahiptirler. Belirli bir izomer türü olan stereoizomerler, çok benzer fiziko-kimyasal özelliklere ve aynı zamanda farklı biyokimyasal aktivitelere sahip olabilir. ⓘ
Moleküler spektroskopi
Moleküler spektroskopi, bilinen enerjiye (veya Planck formülüne göre frekansa) sahip prob sinyalleriyle etkileşime giren moleküllerin tepkisiyle (spektrumuyla) ilgilenir. Moleküller, molekülün enerji değişimini absorbans veya emisyon yoluyla tespit ederek analiz edilebilen kuantize enerji seviyelerine sahiptir. Spektroskopi genellikle nötronlar, elektronlar veya yüksek enerjili X-ışınları gibi parçacıkların düzenli bir molekül düzeniyle (bir kristalde olduğu gibi) etkileşime girdiği kırınım çalışmalarına atıfta bulunmaz. ⓘ
Mikrodalga spektroskopisi genellikle moleküllerin rotasyonundaki değişiklikleri ölçer ve uzaydaki molekülleri tanımlamak için kullanılabilir. Kızılötesi spektroskopi moleküllerin titreşimlerini ölçer, buna esneme, bükülme veya bükme hareketleri de dahildir. Genellikle moleküllerdeki bağ türlerini veya fonksiyonel grupları tanımlamak için kullanılır. Elektronların düzenindeki değişiklikler ultraviyole, görünür veya yakın kızılötesi ışıkta emilim veya emisyon çizgileri verir ve renkle sonuçlanır. Nükleer rezonans spektroskopisi, moleküldeki belirli çekirdeklerin ortamını ölçer ve bir moleküldeki farklı konumlardaki atomların sayısını karakterize etmek için kullanılabilir. ⓘ
Teorik yönler
Moleküllerin moleküler fizik ve teorik kimya tarafından incelenmesi büyük ölçüde kuantum mekaniğine dayanır ve kimyasal bağın anlaşılması için gereklidir. Moleküllerin en basiti hidrojen molekülü-iyonudur, H2+ ve tüm kimyasal bağların en basiti tek elektronlu bağdır. H2+ iki pozitif yüklü proton ve bir negatif yüklü elektrondan oluşur, bu da elektron-elektron itme kuvvetinin olmaması nedeniyle sistem için Schrödinger denkleminin daha kolay çözülebileceği anlamına gelir. Hızlı dijital bilgisayarların gelişmesiyle birlikte, daha karmaşık moleküller için yaklaşık çözümler mümkün hale geldi ve hesaplamalı kimyanın ana yönlerinden biri oldu. ⓘ
IUPAC, bir atom diziliminin molekül olarak kabul edilmesi için yeterince kararlı olup olmadığını kesin bir şekilde tanımlamaya çalışırken, "potansiyel enerji yüzeyinde en az bir titreşim durumunu hapsedecek kadar derin bir çöküntüye karşılık gelmesi gerektiğini" öne sürmektedir. Bu tanım atomlar arasındaki etkileşimin niteliğine değil, yalnızca etkileşimin gücüne bağlıdır. Aslında, geleneksel olarak molekül olarak kabul edilmeyen zayıf bağlı türleri de kapsar; örneğin, tek bir titreşimsel bağlı duruma sahip olan ve sadece çok düşük sıcaklıklarda gözlemlenebilecek kadar gevşek bağlı olan helyum dimeri He2 gibi. ⓘ
Bir atom diziliminin molekül olarak kabul edilmek için yeterince kararlı olup olmadığı, doğası gereği operasyonel bir tanımdır. Bu nedenle felsefi açıdan molekül temel bir varlık değildir (örneğin temel bir parçacığın aksine); daha ziyade molekül kavramı kimyacıların gözlemlediğimiz dünyadaki atomik ölçekli etkileşimlerin güçleri hakkında faydalı bir açıklama yapma yoludur. ⓘ