Sameind

Í efnafræði er sameind (sjaldnar mólekúl) skilgreind sem nægjanlega stöðugur rafhlutlaus hópur tveggja eða fleiri frumeinda með fasta rúmfræðilega skipan sem sterk efnatengi halda saman. Hana má einnig skilgreina sem einingu tveggja eða fleiri atóma sem deilitengi halda saman. Sameindir greinast frá fjölatóma jónum í þessum stranga skilningi. Í lífrænni efnafræði og lífefnafræði er merking hugtaksins "sameind" víðari og nær einnig til hlaðinna lífrænna sameinda og lífsameinda.

Þessi skilgreining hefur þróast með vaxandi þekkingu á byggingu sameinda. Fyrri skilgreiningar voru ónákvæmari og skilgreindu sameindir sem minnstu eindir hreinna kemískra efna sem enn hefðu samsetningu og efnafræðilega eiginleika þeirra. Þessi skilgreining reynist oft ótæk því mörg algeng efni, svo sem steindir, sölt og málmar eru úr atómum eða jónum sem ekki mynda sameindir.

Í kvikfræði lofttegunda er hugtakið "sameind" oft notað um hvaða ögn á loftformi sem er, óháð samsetningu. Samkvæmt því væri minnsta eind eðallofttegunda talin "sameind" þótt hún sé aðeins úr einu ótengdu atómi.

Sameind getur verið úr atómum sama frumefnis, eins og á við um súrefni (O2), eða ólíkum frumefnum, eins og á við um vatn (H2O). Atóm og flókar sem tengjast með ó-jafngildum tengjum svo sem vetnistengjum eða jónatengjum eru venjulega ekki talin stakar sameindir.

Ekki er hægt að skilgreina dæmigerðar sameindir fyrir jónísk sölt og deilitengis-kristalla sem eru samsettir úr endurteknu mynstri einingarsella, annaðhvort í fleti (eins og í grafíti) eða þrívíðu (eins og í demanti eða natrínklóríði). Þetta á einnig við um flest þéttefni með málmtengjum.

Sameindafræði.

Þau vísindi sem fjalla um sameindir nefnast "sameindaefnafræði" eða "sameindaeðlisfræði" eftir áherslunni. Sameindaefnafræði fjallar um lögmálin sem stýra víxlverkun milli sameinda sem leiða til þess að efnatengi komast á og rofna, en sameindaeðlisfræði fjallar um lögmálin sem stýra byggingu þeirra og eiginleikum. Í reynd er þessi aðgreining óljós. Í sameindavísindum jafngildir sameind stöðugu kerfi (bundnu ástandi) úr tveimur eða fleiri atómum. Stundum er gagnlegt að hugsa um fjölatómajónir sem rafhlaðnar sameindir. Hugtakið "óstöðug sameind" er notað um mjög hvarfgjarnar sameindir, þ.e. skammlífar samstæður (hermueindir) rafeinda og kjarna, svo sem sindurefni, sameindajónir, Rydbergsameindir, færsluástönd, van der Waals efnasambönd eða kerfi úr atómum sem rekast saman eins og í Bose-Einstein-döggum.

Saga.

René Descartes varpaði fyrstur fram hugtakinu "molécule" sem merkir "örsmá ögn" á 3. áratugi 17. aldar. Þó margir efnafræðingar hafi viðurkennt tilvist sameinda síðan snemma á 19. öld vegna lögmáls Daltons um ákveðin og margföld hlutföll (1803-1808) og lögmáls Avogadrosar (1811), gætti mótstöðu af hálfu pósitívista og eðlisfræðinga svo sem Machs, Boltzmanns, Maxwells og Gibbs, sem litu á sameindir einfaldlega sem hentugar stærðfræðilegar hugarsmíðar. Með framlagi Perrins um browníska hreyfingu (1911) er lokasönnunin fyrir tilvist sameinda talin hafa komið fram.

Stærð sameinda.

Flestar sameindir eru langtum minni en svo að séðar verði berum augum, en þó ekki allar. Minnsta sameindin er tvíatóma vetni, H2 en lengd hennar er hér um bil tvöföld tengilengdin sem er 74 pm. Sameindir sem eru byggingareiningar lífrænna efnasmíða hafa lengd frá nokkrum tugum pm til nokkurra hundraða pm. Greina má litlar sameindir og jafnvel útlínur einstakra atóma með rafeindasmásjá. Stærstu sameindir nefnast risasameindir og ofursameindir. Deoxýríbósakjarnsýra, sem er risasameind, getur orðið stórsæ, sem og sameindir margra fjölliða.

"Virkur sameindarradíi" endurspeglar þá stærð sem sameind virðist hafa í lausn.

Sameindarformúla.

Efnaformúla efnasambands er einfaldasta heiltöluhlutfall frumefnanna sem það er gert úr. Til dæmis er vatn ávallt sett saman úr vetni og súrefni í hlutföllunum 2:1. Etýlalkóhól eða etanól er ávallt sett saman úr kolefni, vetni og súrefni í hlutföllunum 2:6:1. Þetta ákvarðar gerð sameindar en er þó ekki einhlítt. Til dæmis hefur dímetýleter sömu hlutföll og etanól. Sameindir með sömu atóm í mismunandi uppröðunum nefnast raðbrigði.

Sameindarformúla sameindar lýsir nákvæmum fjölda þeirra atóma sem sameindin er sett saman úr og auðkennir þar með raðbrigðin.

Efnaformúlan er oft hin sama og sameindarformúlan en ekki alltaf. Til dæmis hefur sameindin etýn sameindarformúluna C2H2 en einfaldasta heiltöluhlutfall frumefnanna er CH.

Mólmassa efnis má reikna út frá efnaformúlunni og setja fram í hefðbundnum atómmassaeiningum. Í kristöllum er hugtakið formúlueining notað í stókíómetrískum reikningum.

Sameindarúmfræði.

Sameindir hafa fasta jafnvægis-rúmskipan — tengilengdir og -horn — sem þær sveiflast stöðugt um með titrings- og snúningshreyfingu. Hreint efni er úr sameindum með sömu meðaltals-rúmfræðilega byggingu. Efnaformúlan og bygging sameindarinnar eru hinir tveir mikilvægu þættir sem ákvarða eiginleika þess, einkum hvarfgirnina. Raðbrigði deila sömu efnaformúlu en hafa yfirleitt mjög ólíka eiginleika vegna ólíkrar byggingar. Formbrigði, tiltekin tegund raðbrigða, geta haft mjög áþekka eðlis-efnafræðilega eiginleika en um leið mjög ólíka lífefnafræðilega virkni.

Sameindalitrófsgreining.

Sameindalitrófsgreining fæst við viðbragð (litróf) sameinda sem víxlverka við könnunarmerki af þekktri orku (eða tíðni samkvæmt formúlu Plancks.) Tvístrunarfræði er fræðilegur bakgrunnur litrófsgreiningar.

Könnunarmerkið sem notað er í litrófsgreiningu getur verið rafsegulbylgja eða öreindageisli (rafeinda, jáeinda o.s.frv.) Viðbragð sameindarinnar kann að felast í gleypingu merkis (gleypnilitrófsgreining), útgeislun annars merkis (útgeislunarlitrófsgreining), sundrun eða efnafræðilegum breytingum.

Litrófsgreining er viðurkennd sem öflugt verkfæri við rannsóknir á smásæjum eiginleikum sameinda, einkum orkustigum þeirra. Til að öðlast sem mestar smásæjar upplýsingar úr tilraunaniðurstöðum er litrófsgreining oft tengd saman við efnafræðilega útreikninga.

Fræðilegar hliðar.

Skoðun sameinda útfrá sameindaeðlisfræði og kennilegri efnafræði byggist að verulegu leyti á skammtafræði, sem liggur til grundvallar skilningi á efnatenginu. Einfaldasta sameindin er vetnis-sameindar-jónin H2+ og einfaldasta efnatengið af öllum er einnar-rafeindar-tengið. H2+ er sett saman úr tveimur jákvætt hlöðnum róteindum og einni neikvætt hlaðinni rafeind sem bindast saman með því að skiptast á ljóseindum, sem þýðir að auðveldara er að leysa Schrödingerjöfnu kerfisins vegna fjarveru fráhrindikrafta milli tveggja rafeinda. Eftir tilkomu hraðvirkra tölva hafa nálgunarlausnir fyrir flóknari sameindir orðið mögulegar og eru þær eitt helzta viðfangsefni reiknilegrar efnafræði.

Þegar reynt er að skilgreina nákvæmlega hvort tiltekin skipan atóma sé "nógu stöðug" til að líta megi á hana sem sameind, segir IUPAC að hún "verði að samsvara lægð á mættisorkuyfirborðinu sem er nógu djúp til að fanga a.m.k. eitt titringsástand". Þessi skilgreining er aðeins háð styrk víxlverkunarinnar milli atómanna, ekki eðli hennar. Raunar telur hún með veikt tengdar samstæður sem yfirleitt væri ekki litið á sem sameindir, svo sem helín-tvíliðuna He2, sem hefur aðeins eitt bundið titrings-ástand og er svo laustengt að hennar verður sennilega aðeins vart við mjög lágan hita.