분자

분자 과학은 초점이 화학인지 물리학인지에 따라 분자 화학 또는 분자 물리학 이라고 합니다. 분자 화학은 화학 결합 의 형성과 파손을 초래하는 분자 간의 상호 작용을 지배하는 법칙을 다루며 분자 물리학은 구조와 특성을 지배하는 법칙을 다룹니다. 그러나 실제로 이러한 구분은 모호합니다. 분자 과학에서 분자는 둘 이상의 원자로 구성된 안정된 시스템 ( 결합 상태 )으로 구성 됩니다. 다 원자 이온 은 때때로 전기적으로 하전 된 분자로 유용하게 생각 될 수 있습니다. 불안정한 분자 라는 용어 는 매우 반응성이 높은 종, 즉 라디칼 , 분자 이온 , Rydberg 분자 , 전이 상태 , 반 데르 발스 복합체 또는 충돌 원자 시스템 과 같은 전자 및 핵 의 수명이 짧은 집합 ( 공명 )에 사용 됩니다. Bose–Einstein 응축수 .

에 따르면 메리 엄 - 웹스터 와 온라인 어원 사전 , 단어 "분자"는에서 유래 라틴어 " 몰수 "또는 대량의 작은 단위.

• Molecule (1794) – "매우 미세한 입자", 프랑스어 분자 (1678), New Latin molecula에서 , 라틴 두더지 "질량, 장벽"의 축소 . 처음에는 모호한 의미; 단어 (18 세기 후반까지 라틴어 형식으로 만 사용됨)에 대한 유행은 데카르트 의 철학으로 추적 될 수 있습니다 . ^{[11] [12]}

분자의 구조에 대한 지식이 증가함에 따라 분자의 정의가 진화했습니다. 이전의 정의는 덜 정확하여 분자를 구성 과 화학적 특성 을 여전히 유지하는 순수한 화학 물질 의 가장 작은 입자 로 정의 했습니다 . ^[13] 암석 , 염분 , 금속 과 같은 일반적인 경험의 많은 물질 이 화학적으로 결합 된 원자 또는 이온 의 큰 결정 네트워크로 구성되어 있지만 이산 분자로 만들어지지 않았기 때문에이 정의는 종종 무너 집니다.

분자는 공유 결합 또는 이온 결합에 의해 서로 결합 됩니다. 여러 유형의 비금속 원소는 환경에서 분자로만 존재합니다. 예를 들어, 수소는 수소 분자로만 존재합니다. 화합물의 분자는 둘 이상의 요소로 구성됩니다. ^[14] 호모 핵 분자 는 단일 소자의 두 개 이상의 원자를 만든된다.

어떤 사람들은 금속 결정이 단일 거대 분자에 의해 함께 유지 될 수 있다고 생각되지만 금속 결합 , ^[15] 다른 금속 분자보다 매우 다르게 행동 지적. ^[16]

공유

H 형성 공유 결합을 ₂ 개의 (오른쪽) 수소 원자 개의 전자를 공유

공유 결합은 원자 간에 전자 쌍을 공유 하는 화학 결합 입니다 . 이러한 전자 쌍을 공유 쌍 또는 결합 쌍 이라고 하며, 원자가 전자를 공유 할 때 원자 사이의 인력과 반발력의 안정적인 균형을 공유 결합 이라고 합니다. ^[17]

이온

나트륨 과 불소 는 산화 환원 반응을 거쳐 불화 나트륨 을 형성 합니다. 나트륨은 외부 전자 를 잃어 안정된 전자 배열 을 제공 하고이 전자는 발열 반응으로 불소 원자로 들어갑니다 .

이온 결합은 반대로 하전 된 이온 사이 의 정전 기적 인력 을 포함하는 화학적 결합 의 한 유형이며 이온 화합물 에서 발생하는 주요 상호 작용 입니다. 이온은 하나 이상의 전자를 잃은 원자 ( 양이온 이라고 함 )와 하나 이상의 전자를 얻은 원자 ( 음이온 이라고 함 )입니다. ^[18] 전자이 전송 불린다 electrovalence 대조적으로 공유 결합이 . 가장 간단한 경우 양이온은 금속 원자이고 음이온은 비금속 원자이지만, 이러한 이온은 NH ₄ ⁺ 또는 SO ₄ ²⁻ 와 같은 분자 이온과 같이 더 복잡한 성질을 가질 수 있습니다 .

정상 온도와 압력에서 이온 결합은 대부분 분리 된 식별 가능한 분자없이 고체 (또는 때때로 액체)를 생성하지만, 이러한 물질의 증발 / 승화는 결합이 공유가 아닌 이온으로 간주 될 수있을만큼 전자가 여전히 충분히 전달되는 작은 분리 분자를 생성합니다. .

대부분의 분자는 너무 작아서 육안으로 볼 수 없지만 DNA 와 같은 생체 고분자를 포함하여 많은 고분자의 분자는 거시적 크기에 도달 할 수 있습니다 . 유기 합성을위한 빌딩 블록으로 일반적으로 사용되는 분자는 수 옹스트롬 (Å)에서 수십 Å 또는 약 10 억분의 1 미터의 크기를 가지고 있습니다. 일반적으로 단일 분자는 빛 으로 관찰 할 수 없지만 (위에서 언급 한대로) 작은 분자와 개별 원자의 윤곽까지도 원 자간 력 현미경 을 사용하여 일부 상황에서 추적 할 수 있습니다 . 가장 큰 분자 중 일부는 거대 분자 또는 초분자 입니다.

가장 작은 분자는 결합 길이가 0.74Å 인 이원자 수소 (H ₂ )입니다. ^[19]

유효 분자 반경은 분자가 용액에 표시하는 크기입니다. ^{[20] [21]} 다른 물질 침투 선택성의 표는 예를 포함한다.

화학식 유형

화학식 분자를위한 한 줄의 사용 화학 소자 괄호, 대시 대괄호 기호, 숫자, 때로는 또한 다른 심볼, 및 플러스 (+) 및 마이너스 (-) 부호. 아래 첨자와 위 첨자를 포함 할 수있는 기호의 활자체 한 줄로 제한됩니다.

화합물의 실험식 은 매우 간단한 유형의 화학 공식입니다. ^[22] 은 가장 간단한 정수 비 의 화학 성분 을 구성한다. ^[23] 예를 들어, 물은 항상 2로 구성된다 : 1 비율의 수소 에 산소 원자, 및 에탄올 (에틸 알코올)를 항상 구성되어 탄소 , 수소 및 산소의 2에서 6 : 1의 비율. 그러나 이것은 분자의 종류를 고유하게 결정하지 않습니다 . 예를 들어 디메틸 에테르 는 에탄올과 동일한 비율을 갖습니다. 서로 다른 배열 의 동일한 원자 를 가진 분자를 이성질체 라고 합니다. 예를 들어 탄수화물은 동일한 비율 (탄소 : 수소 : 산소 = 1 : 2 : 1) (따라서 동일한 실험식)을 갖지만 분자의 총 원자 수가 다릅니다.

분자식 분자를 구성하는 원자의 정확한 수를 반영하고 그래서 다른 분자 특성화. 그러나 다른 이성체는 다른 분자이면서 동일한 원자 구성을 가질 수 있습니다.

실험식은 종종 분자식과 동일하지만 항상 그런 것은 아닙니다. 예를 들어, 분자 아세틸렌 은 분자식 C ₂ H ₂ 를 갖지만 원소의 가장 단순한 정수 비율은 CH입니다.

분자 질량 으로부터 계산 될 수있다 화학식 통상적으로 표현되는 원자 질량 단위 것은 중성 탄소 -12 (질량의 1/12과 동일한 ¹² C 동위 원소 ) 원자. 들면 네트워크 고체 용어 식 유닛 에 사용되는 화학 양 론적 계산.

구조식

테르 페 노이드 분자 atisane의 3D (왼쪽 및 가운데) 및 2D (오른쪽) 표현

복잡한 3 차원 구조를 가진 분자, 특히 4 개의 서로 다른 치환기에 결합 된 원자를 포함하는 분자의 경우, 단순한 분자식 또는 반 구조 화학식 만으로는 분자를 완전히 지정하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 이 경우, 화학식 I의 그래픽 타입 착신 구조식이 필요할 수있다. 구조식은 차례로 1 차원 화학명으로 표현 될 수 있지만, 그러한 화학 명명법 에는 화학 공식의 일부가 아닌 많은 단어와 용어가 필요합니다.

"시아 노 스타" 덴드리머 분자 의 구조 및 STM 이미지 . ^[24]

분자는 진동 및 회전 운동을 통해 지속적으로 진동하는 고정 된 평형 구조 (결합 길이 및 각도)를 가지고 있습니다. 순수한 물질은 동일한 평균 기하학적 구조를 가진 분자로 구성됩니다. 분자의 화학식과 구조는 특성, 특히 반응성 을 결정하는 두 가지 중요한 요소입니다 . 이성질체 는 화학 공식을 공유하지만 일반적으로 구조가 다르기 때문에 매우 다른 특성을 갖습니다. 특정 유형의 이성질체 인 입체 이성질체는 매우 유사한 물리 화학적 특성과 동시에 다른 생화학 적 활성을 가질 수 있습니다 .

주사 터널링 현미경 (STM, a) 의 끝에 과잉 전압을 적용하여 개별 H 2 TPP 분자 에서 수소를 제거 할 수 있습니다 . 이 제거는 동일한 STM 팁을 사용하여 측정 된 TPP 분자의 전류-전압 (IV) 곡선을 다이오드 와 같은 (b의 빨간색 곡선)에서 저항 과 같은 (녹색 곡선)으로 변경합니다. 이미지 (c)는 TPP, H ₂ TPP 및 TPP 분자 의 행을 보여줍니다 . 이미지 (d)를 스캔하는 동안 과잉 전압이 검정색 점의 H ₂ TPP에 가해졌고 , 이는 (d)의 하단 부분과 재 스캔 이미지 (e)에서 볼 수 있듯이 즉시 수소를 제거했습니다. 이러한 조작은 단일 분자 전자 장치 에서 사용할 수 있습니다 . ^[25]

분자 분광법 은 알려진 에너지 (또는 플랑크의 공식 에 따른 주파수 )의 프로빙 신호와 상호 작용하는 분자 의 반응 ( 스펙트럼 )을 다룹니다 . 분자는 흡수 또는 방출을 통해 분자의 에너지 교환을 감지하여 분석 할 수있는 양자화 된 에너지 수준을 가지고 있습니다 . ^[26] 분광학은 일반적으로 참조하지 않는 회절 연구 여기서 같은 입자 중성자 , 전자 , 또는 고 에너지 X 선 분자를 일정한 배열 (결정에서와 같이) 상호 작용.

마이크로파 분광법은 일반적으로 분자 회전의 변화를 측정하며 우주 공간에서 분자를 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 적외선 분광법 은 스트레칭, 굽힘 또는 비틀림 운동을 포함하여 분자의 진동을 측정합니다. 일반적으로 분자 의 결합 또는 작용기 의 종류를 식별하는 데 사용됩니다 . 전자 배열의 변화는 자외선, 가시 광선 또는 근적외선 에서 흡수 또는 방출 선을 생성 하고 결과적으로 색상이 나타납니다. 핵 공명 분광법은 분자 내 특정 핵의 환경을 측정하며 분자 내 다른 위치에있는 원자의 수를 특성화하는 데 사용할 수 있습니다.

분자 물리학 및 이론 화학에 의한 분자 연구 는 주로 양자 역학에 기반 하며 화학 결합 의 이해에 필수적입니다 . 가장 단순한 분자는 수소 분자 이온 , H ₂ ⁺ 이고 모든 화학 결합 중 가장 단순한 것은 1 전자 결합 입니다. H ₂ ⁺ 는 두 개의 양으로 하전 된 양성자 와 하나의 음으로 하전 된 전자 로 구성되어 있습니다. 이는 전자-전자 반발이 없기 때문에 시스템 의 슈뢰딩거 방정식 을 더 쉽게 풀 수 있음 을 의미합니다 . 고속 디지털 컴퓨터의 개발로 인해 더 복잡한 분자에 대한 대략적인 솔루션이 가능 해졌고 이는 계산 화학 의 주요 측면 중 하나입니다 .

원자 배열이 분자로 간주 될 만큼 충분히 안정적 인지 여부를 엄격하게 정의하려고 할 때 IUPAC는 " 최소한 하나의 진동 상태를 제한 할만큼 충분히 깊은 위치 에너지 표면 의 함몰에 해당해야합니다"라고 제안합니다 . ^[4] 이 정의는 원자 사이의 상호 작용의 특성에 의존하지 않고 상호 작용의 강도에만 의존합니다. 사실, 같은과 같은 전통적 분자로 간주되지 않을 것이다 약하게 바운드 종 포함 헬륨 다이머 , 그는 이 하나 개의 진동이, 속박 상태 ^[27] 그래서 느슨하게 단지 가능성이 매우 낮은에서 관찰되어야 함을 바인딩 온도.

원자 배열이 분자로 간주 될 만큼 충분히 안정적 인지 여부 는 본질적으로 작동 정의입니다. 따라서 철학적으로 분자는 기본 개체가 아닙니다 (예를 들어 기본 입자 와 대조적으로 ). 오히려 분자의 개념은 우리가 관찰하는 세계에서 원자 규모 상호 작용의 강점에 대해 유용한 진술을하는 화학자의 방법입니다.

• 이달의 분자 – 브리스톨 대학교 화학 대학