Molekul

Molekul ili molekula (novolat. molecula: mala masa, od lat. moles: masa), stabilna cjelina udruženih atoma. Molekulu čine atomi (dva ili više) povezani elektronima u kovalentnoj vezi. Molekul se može sastojati od atoma istih elemenata (molekul elementa) na primjer kiseonik u vazduhu koji udišemo nalazi se u molekuli O2. Može se sastojati i od atoma različitih elemenata (molekul jedinjenja) na primjer vodonik (H) i kiseonik (O) grade vodu H2O.

Molekuli su suviše mali da bi se videli golim okom. Dimenzija su od 0,1 do 100 nanometara (0,0000000001 do 0,00000001 metara) mada ima i izuzetaka. Recimo makromolekul DNK kad bi se izvadio iz jedra ćelije i razmotao dostigao bi dužinu jednog do dva metra. Međutim i tada bi bio nevidljiv jer bi njegovo 'vlakno' bilo prečnika svega 0,000000005 m. Zato se za određivanje veličine i oblika molekula koriste posebne metode fizičke hemije, a naročito instrumentalne metode.

Odnos elemenata koji grade jedinjenje, izražava se empirijskom formulom. Na primer, vodu grade vodonik i kiseonik u odnosu 2:1, H2O, a etil alkohol, (etanol) ugljenik, vodonik i kiseonik u odnosu 2:6:1, C2H6O. Ovaj odnos ne mora uvek da određuje jedinstveni molekul - dimetil etar ima isti odnos kao etanol, na primer. Molekuli koji se sastoje od istih atoma ali u različitom rasporedu se zovu izomeri.

Hemijska ili molekulska formula određuje tačnije redosled atoma koji grade molekul pa je formula etanola CH3CH2OH a dimetiletra CH3OCH3. Za predstavljanje složenijih molekula gde atomi mogu biti različito raspoređeni u prostoru koriste se strukturne formule. Molekulska masa je zbir masa atoma koji čine molekul, i poput atomske, izražava se u atomskim jedinicama mase (atomska jedinica mase = 1/12 mase izotopa 12C).

Dugo se mislilo da su dužine hemijski veza i njihovi uglovi u molekulu konstantni. Međutim, modernim strukturnim metodama nađeno je da se geometrija hemijske veze neznatno menja, naročito kod složenijih molekula.

Nauka o molekulima 

Nauka o molekulima se naziva molekulskom hemijom ili molekulskom fizikom, u zavisnosti od toga da li je focus na hemiji ili fizici. Molekulska hemija se bavi zakonima koji vladaju nad interakcijama između molekula koje dovode do formiranja i razlaganja hemijskih veza, dok se molekulska fizika bavi zakonima o molekulskim strukturama i njihovim svojstvima. Međutim, u praksi razlika nije jasno definisana. U naukama o molekulima, molekul se sastoji od stabilnog sistema sa dva ili više atoma. Poliatomiski joni se mogu smatrati naelektrisanim molekulima. Termin nestabilni molekul se koristi za veoma reaktivne vrste, i.e., kratkotrajne konstrakte (rezonancije) elektrona i jezgara, kao što su radikali, molekulski joni, Rajdbergovi molekuli, prelazna stanja, van der Valsovi kompleksi, ili sistemi kolizirajućih atoma kao u Boze-Ajnštajnovom kondenzatu.

Istorija i etimologija 

U Merriam-Webster rečniku i Onlajn etimološkom rečniku, reč "molekul" je izvedena iz latinske reči "mol" ili mala jedinica mase.

Molekul (1794) – „ekstremno mala čestica“, od fr. molécule (1678), iz modernog latinskog molecula, diminutiva latinke reči moles „masa, barijera“. Ovo naizgled neprecizno značenje reči (korišćeno do kasnog 18. veka samo u latinskoj formi) proističe iz Dekartesove filozofije.

Definicija molekula je evoluirala sa povećanjem znanja o strukturi molekula. Rane definicije su bile manje precizne, i definisale su molekule kao najmanje čestice čistih hemijskih supstanci koje zadržavaju svoju kompoziciju i hemijska svojstva. Ta definicija često nije održiva, pošto mnoge supstance, kao što su stene, soli, i metali, sastavljene od velikih kristalnih mreža hemijski vezanih atoma ili jona, i ne sastoje se od zasebnih molekula.

Veličina molekula 
Većina molekula je suviše mala da bi se mogla videti golim okom, mada postoje izuzeci. DNK makromolekul može da dosegne makroskopske veličine, kao i molekuli mnogih polimera. Molekuli koji su uobičajeni gradivni blokovi u organskoj sintezi imaju dimenzije od nekoliko angstrema (Å) do nekoliko desetina Å. Pojedinačni molekuli se obično ne mogu uočiti putem običnog svetla (kao što je gore pomenuto), ali se mali molekuli i čak obrisi pojedinačnih atoma mogu nazreti u pojedinim okolnostima upotrebom mikroskopa atomskih sila.

Najmanji molekulski prečnik 
Najmanji molekul je diatomski vodonik (H2), sa dužinom veze od 0,74 Å.

Najveći molekulski prečnik 
Mezoporozna silika je proizvedena sa dijametrom od 1000 Å (100 nm)

Prečnik 
Efektivni molekulski prečnik je veličina koji molekul ima u rastvoru.
Tabela permselektivnosti za razne supstance sadrži primere.

Formule molekula

Tipovi hemijskih formula 

Hemijska formula molekula se sastoji od niza simbola hemijskih elemenata, brojeva, a ponekad i drugih simbola, kao što su male, srednje i vitičaste zagrade, crtice, plus (+) i minus (−) znaci. Formule su ograničene na pojedinačne tipografske linije simbola, koje mogu da obuhvate subskripte i superskripte.

Empirijska formula jedinjenja je veoma jednostavni tip hemijske fromule. Ona je najjednostavniji celobrojni odnos hemijskih elemenata od kojih se jedinjenje sastoji. Na primer, voda se uvek sastoji od atoma vodonika i kiseonika u odnosu 2:1, a etil alkohol ili etanol se uvek sastoji od ugljenika, vodonika, i kiseonika u odnosu 2:6:1. Međutim, to jedistveno ne određuje vrstu molekula – na primer dimetil etar ima isti odnos atoma kao etanol. Molekuli sa istim atomima u različitim aranžmanima se nazivaju izomerima. Takođe ugljeni hidrati, na primer, imaju isti odnos (ugljenik:vodonik:kiseonik = 1:2:1) (i stoga istu empirijsku formulu), ali različite totalne brojeve atoma u molekulu.

Molekulska formula odražava precizan broj atoma od kojih se molekul sastoji i tako karakteriše različite molekule. Različiti izomeri mogu da imaju isti atomski sastav, mada su različiti molekuli.

Empirijska formula je obično ista kao i molekulska formula, iako to nije uvek slučaj. Na primer, molekul acetilena ima molekulsku formulu C2H2, dok je najjednostavniji celobrojni odnos elemenata CH.

Molekulska masa se može izračunati iz hemijske formule i izražava se u konvencijalnoj atomskoj jedinici mase jednakoj 1/12 mase neutralnog atoma ugljenika-12 (12C izotopa). Za umrežene čvrste materije se koristi termin formula jedinice u stehiometrijskim proračunima.

Strukturna formula 

Za molekule sa komplikovanom trodimenzionom strukturom, posebno kod molekula koji sadrže atome sa četiri različita supstituenta, jednostavna molekulska formula ili čak polustrukturna hemijska formula, nije dovoljna da potpuno opiše molekul. U tom slučaju se koristi grafički tip formule koji se naziva strukturnom formulom. Strukturne formule mogu da se predstave jednodimenzionim hemijskim imenom, mada takva hemijska nomenklatura zahteva znatan broj reči i članova koji nisu deo hemijskih formula.

Opšti prostorni molekularni modeli su prostorno-punjavajući i štapićasti model.

Geometrija molekula 

Molekuli imaju fiksne ravnotežne geometrije — dužine veza i uglova — oko kojih oni neprestano osciluju putem vibracionih i rotacionih kretanja. Čiste supstance se sastoje od molekula sa istim prosečnim geometrijskim strukturama. Hemijska formula i struktura molekula su dva važna faktora koji određuju njegova svojstva, posebno njegovu reaktivnost. Izomeri imaju istu hemijsku formulu ali normalno imaju veoma različite osobine usled njihovih različitih struktura. Stereoizomeri, specifični tip izomera, mogu da imaju veoma slična fizičko-hemijska svojstva, a istovremeno različite biohemijske aktivnosti.

Molekulska spektroskopija 

Molekulska spektroskopija se bavi responsom (spektrom) molekula koji interaguju sa testnim signalima poznate energije (ili frekvencije, u skladu sa Plankovom formulom). Molekuli imaju kvantizovane energijske nivoe, koji se mogu analizirati detektovanjem molekulske energije razmene putem apsorbancije ili emisije.
Spektroskopija se generano ne odnosi na difrakcione studije gde čestice poput neutrona, elektrona, ili visoko energetskih X-zraka formiraju interakcije sa regularnim aranžmanom molekula (kao što je to slučaj sa kristalima).

Teoretski aspekti 
Izučavanje molekula u molekulskoj fizici i teoretskoj hemiji je uglavnom bazirano na kvantnoj mehanici i esencijalno je za razumevanje hemijske veze. Najjednostavniji molekul je vodonični molekulski jon, H2+, i najjednostavnija od svih hemijskih veza je jednoelektronska veza. H2+ se sastoji od dva pozitivno naelektrisana protona i jednog negativno naelektrisanog elektrona, što znači da se Šredingerova jednačina sistema može lakše rešiti usled nedostatka elektron–elektron repulzije. Sa razvojem brzih digitalnih računara, aproksimativna rešenja za komplikovanije molekule su postala moguća i jedan su od glavnih aspekata računarske hemije.

U pokušaju da rigorozno definiše aranžman atoma koji je dovoljno stabilan da bi se smatrao molekulom, IUPAC sugeriše da on mora da odgovara „udubljenju na površini potencijalne energije koje je dovoljno duboko da ograniči bar jedno vibraciono stanje“. Ova definicija nije zavisna od prirode interakcije između atoma, nego samo od jačine interakcije. Zapravo, ona obuhvata samo slabo vezane vrste aranžmana koji se tradicionalno ne bi smatrali molekulima, kao što su helijumski dimer, He2, koji ima jedno vibraciono vezano stanje i u toj meri je labavo vezan da se jedino može uočiti na veoma niskim temperaturama.

Da li je ili ne aranžman atoma „dovoljno stabilan“ da bi se smatrao molekulom je inherentno operaciona definicija. Filozofski, stoga, molekul nije fundamentalni entitet (u kontrastu, na primer sa elementarnom česticom); već je koncept molekula hemičarski način pravljenja korisnih izjava o jačini interakcija na atomskoj skali.

Vidite još 

 Atom
 Van der Valsov molekul
 Diatomski molekul
 Geometrija molekula
 Mali molekul
 Efuzija, vrsta protoka gasnih molekula
 Hemijska polarnost
 Molekulska geometrija
 Kovalentna veza
 Nekovalentno vezivanje
 Molekularni Hamiltonijan
 Molekularni jon
 Molekulska orbitala
 Molekulsko modelovanje
 Softver za molekulski dezajn
 Periodni sistem malih molekula

Reference

Literatura 

 
 
 
 
 
 Татевский, Владимир Михайлович Квантовая механика и теория строения молекул. — М.: Изд-во МГУ, 1965. — 162 с.
 Бейдер, Ричард Атомы в молекулах. Квантовая теория. — М.: Мир, 2001. — 532 c. 
 Минкин, Владимир Исаакович, Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Теория строения молекул. — М.: Высшая школа, 1979. — 408 с.
 Кук Д., Квантовая теория молекулярных систем. Единый подход. Пер с англ. М.: Интеллект, 2012. — 256с.

Vanjske veze 

 Molecule of the Month – School of Chemistry, University of Bristol
 Молекулы  (видеурок, программа 7 класса)
 Molecule // IUPAC Gold Book
 Molecular entity // IUPAC Gold Book
  Молекула: Сайт о Химии
  Шредингер Э. Волновая теория механики атомов и молекул. УФН 1927
 Статья «Молекула» в Физической энциклопедии

Materija
Molekularna fizika
Molekuli