Molekul

Molekul on keemilise aine vähim osake, millel on selle aine keemilised omadused.
Keemias kasutatava ametliku definitsiooni järgi on molekul elektriliselt neutraalne osake, mis koosneb kahest või enamast ühe või mitme keemilise elemendi aatomist, mis on omavahel ühendunud keemiliste sidemetega. Rangelt võttes ei hõlma molekuli definitsioon ioonsete ainete (nt NaCl) struktuuriühikuid, kuid lihtsuse huvides kasutatakse tihti ka nendest rääkides molekuli mõistet. Mitteranges mõttes nimetatakse molekulideks sageli ka vabasid aatomeid või mitmest aatomist koosnevaid ioone.
Molekul on kahest või enamast aatomist koosnev elektriliselt neutraalne ühend, milles aatomeid hoiavad koos keemilised sidemed. Molekulid erinevad ioonidest selle poolest, et neil pole laengut. Samuti ei koosne mineraalid ja metallilist võret moodustavad metallid molekulidest.
Füüsikas, gaaside kineetilises teoorias kasutatakse terminit "molekul" iga gaasifaasis oleva osakese kohta, olenemata selle koostisest. Selle definitsiooni järgi on väärisgaaside aatomid molekulid.
Ajalugu.
17. sajand.
Kõige varasemad teooriad molekulide kohta pärinevad 17. sajandist. Vanakreeka filosoofid Leukippos, Demokritos ja Epikuros arvasid, et materjali kõvadus oleneb sellest, missuguse kujuga aatomeid ta sisaldab. Seetõttu olid nende arvates näiteks raua aatomid kõvad ja tugevad, vee aatomid libedad ja siledad, soola aatomid teravad ja nurksed. 17. sajandil tuli aga Isaac Newton välja teooriaga, milles ta väitis, et osakesi hoiab koos mingisugune jõud, mis on vahetul kokkupuutel väga tugev.
18. sajand.
Prantsuse keemik Étienne François Geoffroy töötas 18. sajandil välja keemilise afiinsuse teooriad, et selgitada osakeste teket. Aastal 1738 avaldas Šveitsi füüsik ja matemaatik Daniel Bernoulli raamatu, mis rajas aluse gaaside kineetilisele teooriale. Ta väitis, et gaasid koosnevad paljudest molekulidest, mis liiguvad igas suunas, et nende mõju pinnale põhjustab rõhu, mida me tunneme, ja et soojus on põhjustatud gaasiosakeste liikumisest.
19. sajand.
19. sajandil, 1811. aastal avaldas Amedeo Avogadro artikli, kus väitis, et väiksed gaasiosakesed ei ole lihtsalt aatomid, vaid on tekkinud mitmest aatomist ning moodustavad molekuli. Archibald Scott Couper leidis aga, et aatomid on omavahel ühendatud ja moodustavad kolmemõõtmelisi struktuure.
20. sajand.
20. sajandil arenes molekulide teooria väga palju. Saksa keemik Richard Abegg avastas, et aatomid, mille elektronkihil on juba 8 elektroni, alustavad uue kihi täitmist ja et mõned aatomid, millel on elektronkihil 8 elektroni, on stabiilsemad. Peaaegu kümme aastat hiljem avaldas Alfred Lauck Parson artikli, kus väidab, et elektronid ei ole lihtsalt elektrilised laengud, vaid on lisaks sellele ka väiksed magnetid ja seetõttu toimub keemilises sidemes elektronide jagamine kahe aatomi vahel.
Lewis väitis, et kaks aatomit alluvad oktetireeglile mitte ainult ühe aatomi pealt teisele elektrone kandes, vaid ka ühe või rohkemate elektronpaaride jagamisega. Linus Pauling avaldas artikli, milles ta kasutas kvantmehaanikat, et välja arvutada molekulide omadusi ja struktuuri. Nendele ideedele toetudes lõi Pauling hübridisatsiooniteooria ja sai tänu sellele ka Nobeli auhinna.
21. sajand.
Aastal 2009 tehti esimene pilt päris molekulist. Selleks kasutati aatomijõumikroskoopi, mille abil oli näha iga pentatseeni aatom ja keemiline side.
Omadused.
Liikuvus.
Molekulid on alati liikuvuses. Tahketes ainetes võnguvad molekulid oma tasakaaluoleku ümber, vedelikes on molekulide liikumine korrapärane ning gaasides korrapäratu. Temperatuuri tõustes molekuli liikuvus kasvab.
Homo- ja heteronukleaarsus.
Molekul saab olla kas homo- või heteronukleaarne.
Homonukleaarne molekul koosneb kahest või enamast ühe elemendi aatomist, näiteks N2 või O2.
Heteronuklearne molekul koosneb kahest või enamast eri elemendi aatomist, näiteks C2H5OH ja H2O. Aatomeid ja komplekse, mis on ühendatud mittekovalentse sidemega, näiteks vesiniksidemega, ei nimetata tavaliselt molekulideks.
Molekulmass.
Molekulmass on kõigi molekulis olevate aatomite aatommasside summa. Molekulmassi arvutamisel tuleb arvestada alaindeksitega molekulivalemis.
Mool.
Molekulide puhul on mool ainehulk, milles on 6,02×1023 ehk Avogadro arv molekule.
Suurus.
Enamasti on molekulid nii väikesed, et palja silmaga neid ei näe, aga on ka erandeid. DNA ja paljud polümeeride molekulid võivad saavutada makroskoopilise suuruse ja olla isegi silmaga nähtavad. Tavaline molekulisuurus on aga mõnikümmend ongströmit.
Kõige väiksem molekul on diaatomilisel vesinikul (H2), kus sideme pikkus on 0,74 Å.
Keemilised sidemed.
Molekule hoiavad koos keemilised sidemed. Need sidemed jagunevad kovalentseteks ja ioonilisteks sidemeteks.
Kovalentne side.
Kovalentne side on kahe aatomi vahel siis, kui nad jagavad elektronpaari. Kovalentne side saab olla polaarne või mittepolaarne. Polaarse kovalentse sideme korral on side tekkinud kahe erineva elektronegatiivsusega aatomi vahel. Suurema elektronegatiivsusega aatom mõjutab elektronpaari tugevamini ning elektronid on nihutatud selle elemendi aatomi poole. Mittepolaarse kovalentse sideme puhul on mõlema aatomi elektronegatiivsused võrdsed ning elektrontihedus on jaotatud mõlema aatomituuma suhtes sümmeetriliselt.
Iooniline side.
Iooniline side tekib vastasmärgiliste laengutega ioonide vahel. Ioonid on aatomid, mis on kaotanud ühe või rohkem elektrone (katioonid) või aatomid, mis on juurde võtnud ühe või enam elektrone (anioonid). Tavaliselt on katiooniks metalli aatom ja aniooniks mittemetalli aatom.
Molekulaarteadus.
Molekulaarteadused on nt molekulaarkeemia ja molekulaarfüüsika, olenevalt sellest, kas fookus on keemial või füüsikal. Molekulaarkeemia uurib, miks tekivad või katkevad keemilised sidemed. Molekulaarfüüsika uurib molekulide struktuuri ja omadusi.
Molekulide kujutamine.
Molekulivalem.
Molekulivalem ehk molekulaarvalem on keemiline valem, mis näitab molekuli koostist. Molekulivalem näitab, mis aatomeid ja kui palju on aine molekulis. Näiteks benseeni molekulis C6H6 on 6 süsiniku- ja 6 vesinikuaatomit.
Empiiriline valem.
Empiiriline valem on lihtsustatud, see näitab molekulis olevate aatomite suhet. Näiteks benseeni empiiriline valem on CH ehk iga süsiniku aatomi kohta on üks vesiniku aatom.
Struktuurivalem.
Struktuurivalem näitab piltlikult ja lihtsustatult molekulis esinevate aatomite asetust, sidemeid ja osalaenguid.
Struktuurivalemid jagunevad järgmiselt: