Phân tử

Phân tử là 1 nhóm trung hòa điện tích có nhiều hơn 2 nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học.  Các phân tử được phân biệt với các ion do thiếu điện tích. Tuy nhiên, trong vật lý lượng tử, hóa học hữu cơ và hóa sinh, thuật ngữ phân tử thường được sử dụng ít nghiêm ngặt hơn, thường để chỉ các các ion đa nguyên tử.

Trong lý thuyết động học của chất khí, thuật ngữ phân tử thường được sử dụng cho bất kỳ hạt khí nào bất kể thành phần của nó. Theo định nghĩa này, các nguyên tử khí trơ được coi là các phân tử vì chúng là các phân tử đơn phân tử.

Một phân tử có thể là đồng hạt nhân, tức là bao gồm các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học, ví dụ như hai nguyên tử trong phân tử oxy (O2); hoặc nó có thể là dị hạt nhân, một hợp chất hóa học được cấu tạo từ nhiều hơn một nguyên tố, ví dụ như nước (gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy). Các nguyên tử và phức chất được kết nối bởi các tương tác không cộng hóa trị, như liên kết hydro hoặc liên kết ion, thường không được coi là các phân tử đơn lẻ.

Phân tử là thành phần phổ biến cấu tạo nên vật chất. Chúng cũng cấu thành phần lớn các đại dương và khí quyển. Hầu hết các chất hữu cơ đều là phân tử. Các vật chất của sự sống là các phân tử, ví dụ như protein, các axit amin cấu thành nên chúng, các axit nucleic (DNA & RNA) Ngược lại, phần lớn các chất rắn quen thuộc trên Trái Đất không được cấu tạo từ các phân tử. Nhóm này bao gồm tất cả các khoáng chất cấu thành nên vật chất của Trái Đất, đất, bụi, cát, đất sét, sỏi, đá, tảng đá, đá nền, phần bên trong nóng chảy và lõi Trái Đất.

Các khái niệm tương tự như phân tử đã được thảo luận từ thời cổ đại, nhưng các nghiên cứu hiện đại về bản chất của phân tử và các liên kết của chúng mới bắt đầu từ thế kỷ 17. Được hoàn thiện theo thời gian bởi các nhà khoa học như Robert Boyle, Amedeo Avogadro, Jean Perrin và Linus Pauling, lĩnh vực nghiên cứu về phân tử ngày nay được gọi là vật lý phân tử hoặc hóa học phân tử.

Liên kết 
Các phân tử được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết ion. Một số loại nguyên tố phi kim chỉ tồn tại dưới dạng phân tử trong điều kiện tự nhiên. Ví dụ, hydro chỉ tồn tại dưới dạng phân tử hydro. Phân tử của một hợp chất được cấu tạo từ hai hoặc nhiều nguyên tố.

Hóa trị 

Liên kết cộng hóa trị là liên kết hóa học liên quan đến việc chia sẻ các cặp electron giữa các nguyên tử. Các cặp electron này được gọi là cặp dùng chung hoặc cặp liên kết, và trạng thái cân bằng bền vững giữa các lực hút và lực đẩy giữa các nguyên tử khi chúng chia sẻ electron được gọi là liên kết cộng hóa trị.

Ion 

Liên kết ion là một loại liên kết hóa học liên quan đến lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu , và là tương tác chủ yếu xảy ra trong các hợp chất ion. Ion bao gồm các nguyên tử đã mất một hoặc nhiều electron (gọi là cation) và các nguyên tử đã nhận một hoặc nhiều electron (gọi là anion). Sự chuyển giao electron này được gọi là điện hóa trị, tương phản với cộng hóa trị . Trong trường hợp đơn giản nhất, cation là một nguyên tử kim loại và anion là một nguyên tử phi kim, tuy nhiên bản chất của các ion này có thể phức tạp hơn, ví dụ các ion phân tử (ion đa nguyên tử) như NH4+ hoặc SO42−.

Kích thước của phân tử 
Hầu hết các phân tử quá nhỏ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường, mặc dù các phân tử của nhiều polyme có thể đạt kích thước vĩ mô, bao gồm cả các phân tử sinh học như DNA. Các phân tử thường được sử dụng làm các khối xây dựng để tổng hợp hữu cơ có kích thước từ một vài angstroms (Å) đến vài chục, hoặc khoảng một phần tỷ mét. Các phân tử đơn lẻ thường không thể được quan sát bằng ánh sáng (như đã lưu ý ở trên), nhưng các phân tử nhỏ và thậm chí các đường viền của các nguyên tử riêng lẻ có thể được truy tìm trong một số trường hợp bằng cách sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử. Một số phân tử lớn nhất được gọi là đại phân tử hoặc siêu phân tử.

Phân tử nhỏ nhất là hydro (H2), với độ dài liên kết là 0,74.

Bán kính phân tử hiệu quả là kích thước mà một phân tử hiển thị trong dung dịch. Bảng tính thấm cho các chất khác nhau chứa các ví dụ.

Công thức phân tử

Các loại công thức hóa học 
-Các công thức hóa học cho một phân tử sử dụng một dòng hóa yếu tố ký hiệu, số, và đôi khi cũng biểu tượng khác, chẳng hạn như dấu ngoặc đơn, dấu gạch ngang, dấu ngoặc, và cộng (+) và trừ (-) dấu hiệu. Chúng được giới hạn trong một dòng ký hiệu chính tả, có thể bao gồm các chỉ số và siêu ký tự.

Công thức thực nghiệm của một hợp chất là một loại công thức hóa học rất đơn giản. Đây là tỷ lệ nguyên đơn giản nhất của các nguyên tố hóa học cấu thành nó. Ví dụ, nước luôn bao gồm tỷ lệ 2: 1 của hydro với các nguyên tử oxy và ethanol (rượu ethyl) luôn bao gồm carbon, hydro và oxy theo tỷ lệ 2: 6: 1. Tuy nhiên, điều này không xác định loại phân tử duy nhất   - ví dụ dimethyl ether có cùng tỷ lệ với ethanol. Các phân tử có cùng các nguyên tử trong các sắp xếp khác nhau được gọi là các đồng phân. Ngoài ra, carbohydrate, ví dụ, có cùng tỷ lệ (carbon: hydro: oxy = 1: 2: 1) (và do đó có cùng công thức thực nghiệm) nhưng tổng số nguyên tử khác nhau trong phân tử.

Công thức hóa học phản ánh số lượng chính xác các nguyên tử cấu thành phân tử và do đó đặc trưng cho các phân tử khác nhau. Tuy nhiên, các đồng phân khác nhau có thể có cùng thành phần nguyên tử trong khi là các phân tử khác nhau.

Công thức thực nghiệm thường giống như công thức phân tử nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Ví dụ, acetylen phân tử có công thức phân tử C2H2, nhưng tỷ lệ nguyên đơn giản nhất của các nguyên tố là CH.

Các khối lượng phân tử có thể được tính từ công thức hóa học và được thể hiện trong truyền thống đơn vị khối lượng nguyên tử bằng 1/12 khối lượng của một không các-bon-12 (12C đồng vị) nguyên tử. Đối với chất rắn mạng, đơn vị công thức hạn được sử dụng trong tính toán cân bằng hóa học.

Công thức cấu trúc 

Đối với các phân tử có cấu trúc 3 chiều phức tạp, đặc biệt là liên quan đến các nguyên tử liên kết với bốn nhóm thế khác nhau, một công thức phân tử đơn giản hoặc thậm chí công thức hóa học bán cấu trúc có thể không đủ để xác định hoàn toàn phân tử. Trong trường hợp này, một loại công thức đồ họa được gọi là công thức cấu trúc có thể cần thiết. Các công thức cấu trúc có thể lần lượt được biểu diễn bằng tên hóa học một chiều, nhưng danh pháp hóa học như vậy đòi hỏi nhiều từ và thuật ngữ không phải là một phần của công thức hóa học.

Hình học phân tử 

Các phân tử có hình học cân bằng cố định Độ dài liên kết và góc độ của mối quan hệ mà chúng liên tục dao động thông qua các chuyển động dao động và quay. Một chất tinh khiết bao gồm các phân tử có cùng cấu trúc hình học trung bình. Công thức hóa học và cấu trúc của một phân tử là hai yếu tố quan trọng quyết định tính chất của nó, đặc biệt là khả năng phản ứng của nó. Các chất đồng phân có chung một công thức hóa học nhưng thông thường có các tính chất rất khác nhau do cấu trúc khác nhau của chúng. Các đồng phân lập thể, một loại đồng phân đặc biệt, có thể có các tính chất hóa lý rất giống nhau và đồng thời các hoạt động sinh hóa khác nhau.

Quang phổ phân tử 

Quang phổ phân tử liên quan đến phản ứng (phổ) của các phân tử tương tác với các tín hiệu thăm dò của năng lượng đã biết (hoặc tần số, theo công thức của Planck). Các phân tử có mức năng lượng được lượng tử hóa có thể được phân tích bằng cách phát hiện sự trao đổi năng lượng của phân tử thông qua sự hấp thụ hoặc phát xạ. Quang phổ thường không đề cập đến các nghiên cứu nhiễu xạ trong đó các hạt như neutron, electron hoặc tia X năng lượng cao tương tác với sự sắp xếp thường xuyên của các phân tử (như trong tinh thể).

Quang phổ vi sóng thường đo các thay đổi trong quá trình quay của các phân tử và có thể được sử dụng để xác định các phân tử ngoài không gian. Quang phổ hồng ngoại đo sự rung động của các phân tử, bao gồm các chuyển động kéo dài, uốn cong hoặc xoắn. Nó thường được sử dụng để xác định các loại liên kết hoặc nhóm chức trong các phân tử. Những thay đổi trong cách sắp xếp các vạch hấp thụ hoặc phát xạ của electron trong tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy hoặc gần tia hồng ngoại và dẫn đến màu sắc. Quang phổ cộng hưởng hạt nhân đo môi trường của các hạt nhân cụ thể trong phân tử và có thể được sử dụng để mô tả số lượng nguyên tử ở các vị trí khác nhau trong một phân tử.

Các khía cạnh lý thuyết 
Nghiên cứu về các phân tử bằng vật lý phân tử và hóa học lý thuyết phần lớn dựa trên cơ học lượng tử và rất cần thiết cho sự hiểu biết về liên kết hóa học. Đơn giản nhất trong số các phân tử là phân tử hydro-ion, H2+ và đơn giản nhất trong tất cả các liên kết hóa học là liên kết một electron. H2+ bao gồm hai proton tích điện dương và một electron tích điện âm, có nghĩa là phương trình Schrödinger cho hệ thống có thể được giải quyết dễ dàng hơn do thiếu lực đẩy electron electron. Với sự phát triển của máy tính kỹ thuật số nhanh, các giải pháp gần đúng cho các phân tử phức tạp hơn đã trở thành có thể và là một trong những khía cạnh chính của hóa học tính toán.

Khi cố gắng xác định chặt chẽ liệu một sự sắp xếp các nguyên tử có đủ ổn định để được coi là một phân tử hay không, IUPAC gợi ý rằng nó "phải tương ứng với một chỗ lõm trên bề mặt năng lượng đủ sâu để giam giữ ít nhất một trạng thái rung động". Định nghĩa này không phụ thuộc vào bản chất của sự tương tác giữa các nguyên tử, mà chỉ phụ thuộc vào độ mạnh của sự tương tác. Trên thực tế, nó bao gồm các loài bị ràng buộc yếu mà theo truyền thống không được coi là các phân tử, chẳng hạn như helium dimer, He2, có một trạng thái ràng buộc rung động  và bị ràng buộc lỏng lẻo đến mức nó chỉ có thể được quan sát ở mức rất thấp nhiệt độ.

Việc sắp xếp các nguyên tử có đủ ổn định hay không để được coi là một phân tử vốn là một định nghĩa hoạt động. Về mặt triết học, do đó, một phân tử không phải là một thực thể cơ bản (ví dụ, ngược lại, với một hạt cơ bản); đúng hơn, khái niệm về một phân tử là cách nhà hóa học đưa ra tuyên bố hữu ích về sức mạnh của các tương tác quy mô nguyên tử trong thế giới mà chúng ta quan sát.

Xem thêm 
 Nguyên tử
 Đơn chất
 Hợp chất
 Nguyên tố hóa học
 Độ âm điện
 Dung dịch
 Công thức hóa học
 Đồng phân
 Số nguyên tử

Tham khảo

Liên kết ngoài 

 

Hóa học
Vật lý phân tử
Vật chất
Phân tử