Кіріспе

Екі немесе одан көп атомнан тұратын электрлік бейтарап топ. Молекула – химиялық байланыстар деп аталатын тартымды күштермен байланысқан екі немесе одан көп атомнан тұратын топ; контекстке байланысты, бұл критерийге сәйкес келетін иондарды қамтуы мүмкін немесе қамтауы мүмкін емес. Кванттық физикада, органикалық химияда және биохимияда иондардан айырма жасалмайды және полиатомдық иондарды талқылау кезінде молекула жиі қолданылады. Молекула гомоядролық болуы мүмкін, яғни ол бір химиялық элементтің атомдарынан тұрады, мысалы, оттегі молекуласындағы екі атом (O2); немесе гетероядролық болуы мүмкін, яғни бірнеше элементтен тұратын химиялық қосылыс, мысалы, су (екі сутек атомы және бір оттегі атомы; H2O). Газдардың кинетикалық теориясында молекула термині оның құрамына қарамастан кез келген газ тәрізді бөлшектерге қолданылады. Бұл молекуланың екі немесе одан көп атомнан тұруы керек деген талапты жеңілдетеді, себебі инертті газдар жеке атомдар болып табылады. Сутектік байланыстар немесе иондық байланыстар сияқты ковалентті емес өзара әрекеттесулер арқылы байланысқан атомдар мен кешендер әдетте жеке молекулалар деп есептелмейді. Молекулаға ұқсас ұғымдар ежелгі заманнан бері талқыланып келеді, бірақ молекулалардың табиғаты мен олардың байланыстарына қазіргі зерттеулер 17 ғасырда басталды. Роберт Бойль, Амедео Авогадро, Жан Перрин және Линус Полинг сияқты ғалымдардың еңбегімен уақыт өте келе жетілдірілген молекулалардың зерттелуі қазір молекулалық физика немесе молекулалық химия деп аталады.

Этимология

Мерриам Вебстер және Онлайн этимологиялық сөздікке сәйкес, "молекула" сөзі латын тіліндегі "moles" немесе массаның кішкентай бірлігі деген сөзден шыққан. Сөз француз тіліндегі molécule (1678) сөзінен, жаңа латын тіліндегі molecula сөзінен, латын тіліндегі moles – "масса, тосқауыл" сөзінің кішіртілген түрінен алынған. Бұл сөз 18-шы ғасырдың соңына дейін тек латынша түрінде ғана қолданылып келді, ал Декарттың философиялық еңбектерінде қолданылғаннан кейін кеңінен танымал болды.

Тарих

Молекуланың анықтамасы молекулалар құрылымы туралы білімнің артуымен дамыды. Бұрынғы анықтамалар одан аз нақты болды, молекулаларды әлі де өздерінің құрамы мен химиялық қасиеттерін сақтайтын таза химиялық заттардың ең кішкентай бөлшектері деп түсіндірді. Бұл анықтама көбінесе дұрыс болмайды, себебі тастар, тұздар және металдар сияқты күнделікті өмірдегі көптеген заттар химиялық байланыстағы атомдар немесе иондардың үлкен кристалдық желілерінен тұрады, бірақ дискретті молекулалардан жасалмайды. Қазіргі молекулалар туралы түсінік ғылымға дейінгі және грек философтары Левкипп пен Демокрит сияқты ғаламның атомдар мен бос кеңістіктен құралғандығын айтқан ойшылдарға дейін жетеді. Шамамен 450 жылға дейін Эмпедокл негізгі элементтерді (от, жер, ауа және су) және элементтердің өзара әрекеттесуіне мүмкіндік беретін тарту және тебу "күштерін" көзге елестетті. Бесінші элемент – өте таза эфир – аспан денелерінің негізгі құрауышы деп саналды. Левкипп пен Эмпедоклдың көзқарастары, сондай-ақ эфир Аристотельдің қабылдауында болды және орта ғасыр мен Ренессанс Еуропасына жетті. Алайда, нақтырақ айтқанда, байланысқан атомдардың жиынтығы немесе бірліктері, яғни "молекулалар" ұғымы Роберт Бойльдің 1661 жылғы "Скептикалық химик" атты әйгілі трактатындағы гипотезасына байланысты, онда материя бөлшектердің шоғырлануынан тұрады және химиялық өзгерістер шоғырланудың қайта орналасуынан туындайды. Бойль материяның негізгі элементтері әртүрлі мөлшердегі және түр-түрлі бөлшектерден тұрады деп түсіндірді. 1789 жылы Уильям Хиггинс "соңғы" бөлшектердің комбинациялары туралы пікірлерін жариялады, бұл валенттілік байланыстар туралы түсінікті алдын ала білдірді. Мысалы, Хиггинс бойынша, оттегі мен азоттың соңғы бөлшектері арасындағы күш 6 болса, онда күштің күші сәйкесінше бөлінеді, және осыған ұқсас соңғы бөлшектердің басқа комбинациялары үшін де солай. Амедео Авогадро "молекула" сөзін ойлап тапты. 1811 жылы "Елементар молекулалардың салыстырмалы массасын анықтау туралы эссе" атты еңбегінде ол, яғни Партингтонның "Химияның қысқаша тарихы" кітабы бойынша, газдардың ең кішкентай бөлшектері міндетті түрде қарапайым атомдар емес, бірақ олар белгілі бір атомдардан тұрады. Осы тұжырымдамалармен үйлестіру арқылы 1833 жылы француз химигі Марк Антуан Огюст Годин Авогадроның атомдық салмақ туралы гипотезасының "көлемдік диаграммаларды" қолдану арқылы айқын түсіндірмесін ұсынды. Олар сызықтық су молекуласы сияқты жартылай дұрыс молекулалық геометрияны және H2O сияқты дұрыс молекулалық формулаларды анық көрсетеді. 1917 жылы Лайнус Паулинг есімді белгісіз американдық химиялық инженер-студент сол кезде атомдар арасындағы байланыстардың негізгі сипаттамасы болған Далтонның ілгегі мен көз байланысы әдісін үйреніп жатты. Алайда Паулинг бұл әдіске қанағаттанбай, жаңадан пайда болған кванттық физика саласына жаңа әдіс іздеді. 1926 жылы француз физигі Жан Перрен молекулалардың бар екендігін дәлелдегені үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алды. Ол мұны Авогадро тұрақтысын үш түрлі әдіспен есептеп, барлығы сұйық фазалы жүйелерді қамтиды. Біріншісі – гамбоге сабынына ұқсас эмульсияны қолданды, екіншісі – Браун қозғалысы бойынша тәжірибелік жұмыс жасады, үшіншісі – Эйнштейннің сұйық фазадағы бөлшектердің айналу теориясын растады. 1927 жылы физиктер Фриц Лондон және Уолтер Гейтлер жаңа кванттық механиканы сутегі молекуласының қанықтыратын, динамикалық емес тарту және тебу күштерін, яғни алмасу күштерін зерттеуге қолданды. Олардың бұл проблеманы валентті байланыстармен бірге шешуі, олардың бірлескен жұмысында, химияны кванттық механиканың астына әкелді. Олардың жұмысы Паулингке әсер етті, ол докторлық дәрежесін жаңа ғана алып, Гейтлер мен Лондонға Цюрихке Гуггенхайм стипендиясымен барды. Кейін 1931 жылы Паулинг Гейтлер мен Лондонның еңбектері мен Льюистің атақты мақаласында кездесетін теорияларға сүйене отырып, "Химиялық байланыстың табиғаты" атты жаңа мақаласын жариялады. Онда ол кванттық механиканы молекулалардың қасиеттері мен құрылымын есептеу үшін пайдаланды, мысалы, байланыстар арасындағы бұрыштар мен байланыстардың айналуын. Осы тұжырымдамалар бойынша Паулинг СН4 сияқты молекулалардағы байланыстарды есепке алу үшін гибридтеу теориясын әзірледі, онда sp3 гибридтелген төрт орбитал сутегінің 1s орбиталымен жапсырады, бұл төрт сигма (σ) байланысын береді. Төрт байланыстың ұзындығы мен күші бірдей, бұл төменде көрсетілгендей молекулалық құрылымды құрайды:

Молекулалық ғылым

Молекулалар туралы ғылым химияға немесе физикаға бағытталғандығына қарай молекулалық химия немесе молекулалық физика деп аталады. Молекулалық химия химиялық байланыстардың түзілуіне және үзілуіне әкелетін молекулалар арасындағы өзара әрекеттесуді басқаратын заңдармен айналысады, ал молекулалық физика олардың құрылымын және қасиеттерін басқаратын заңдармен айналысады. Бірақ практикада бұл ерекшелік шамалы. Молекулалық ғылымдарда молекула – екі немесе одан көп атомнан тұратын тұрақты жүйе (байланысқан күй). Полиатомдық иондар кейде электр зарядталған молекулалар ретінде қарастырылуы мүмкін. «Тұрақсыз молекула» термині өте реактивті түрлерді, яғни, радикалдар, молекулалық иондар, Ридберг молекулалары, аралық күйлер, Ван дер Ваальс кешендері немесе Бозе-Эйнштейн конденсатындағы атомдардың соқтығысу жүйелері сияқты, қысқа ғұмырлы жиынтықтарды (резонанстарды) сипаттау үшін қолданылады.

Ауру таралуы

Молекулалар материяның құрамдас бөліктері ретінде кең таралған. Олар сонымен қатар мұхиттардың және атмосфераның көп бөлігін құрайды. Көптеген органикалық заттар молекулалар болып табылады. Өмірдің заттары – молекулалар, мысалы, ақуыздар, олардың құрамына кіретін аминқышқылдары, нуклеин қышқылдары (ДНК және РНК), қанттар, көмірсулар, майлар және витаминдер. Қоректік минералдар көбінесе иондық қосылыстар болып табылады, сондықтан олар молекулалар емес, мысалы, темір сульфаты. Дегенмен, Жердегі көптеген таныс қатты заттар кристалдардан немесе молекулалардан жасалмаған иондық қосылыстардан жартылай немесе толық құралған. Бұларға Жердің барлық минералдары, құм, саз, қиыршық тас, тау жыныстары, тас жыныстары, жер қойнауы, балқыған ішкі қабат және Жердің ядросы кіреді. Олардың барлығы көптеген химиялық байланыстардан тұрады, бірақ олар анықталған молекулалардан жасалмайды. Тұздар мен ковалентті кристалдар үшін де ерекше молекула анықталмайды, бірақ олар көбінесе жазықтықта, мысалы, графенде немесе үш өлшемді, мысалы, алмаз, кварц, натрий хлориді сияқты қайталанатын жасушалардан тұрады. Қайталанатын жасушалық құрылым тақырыбы металл байланысы бар конденсатталған фазалар болып табылатын көптеген металдарға да қатысты. Осылайша, қатты металдар молекулалардан жасалмайды. Көзілдірлерде (әйнекте), қатты күйдегі, бірақ әйнекті тәрізді ретсіз құрылымдағы атомдар химиялық байланыстармен бірге ұсталады, онда ешқандай анықталған молекулалар жоқ, сондай-ақ тұздарға, ковалентті кристалдарға және металдарға тән қайталанатын жасушалық құрылымның реттелігі де жоқ.

Бiрiктiру

Молекулалар көбінесе ковалентті байланыс арқылы ұсталынады. Көптеген металл емес элементтер қоршаған ортада қосылыстарда немесе гомоядролық молекулалар түрінде ғана болады, еркін атомдар түрінде емес; мысалы, сутек. Кейбір адамдар металл кристалдарын металдық байланыс арқылы ұсталынатын бір үлкен молекула деп санаса, басқалары металдардың молекулалардан өте ерекшеленетінін айтады.

Ковалентті

Ковалентті байланыс – атомдар арасында электрон жұптарының ортақ пайдаланылуымен байланысты химиялық байланыс. Бұл электрон жұптары ортақ жұптар немесе байланыс жұптары деп аталады, ал атомдар электрондарды ортақ пайдаланған кездегі тартымды және тебу күштерінің тұрақты тепе-теңдігі ковалентті байланыс деп аталады.

Ионикалық

Иондық байланыс – қарама-қарсы зарядталған иондар арасындағы электростатикалық тартылысқа негізделген химиялық байланыстың бір түрі және иондық қосылыстардағы негізгі өзара әсерлесу. Иондар – бір немесе бірнеше электронын жоғалтқан атомдар (катиондар деп аталады) және бір немесе бірнеше электронын алған атомдар (аниондар деп аталады). Электрондардың осы ауысуы ковалентті байланыстан ерекшеленетін электроваленттілік деп аталады. Ең қарапайым жағдайда, катион – металл атом, ал анион – металл емес атом болады, бірақ бұл иондар NH4+ немесе SO42− сияқты молекулалық иондар сияқты күрделірек болуы мүмкін. Қалыпты температура мен қысымда иондық байланыс көбінесе жеке анықталатын молекулаларсыз қатты заттарды (немесе кейде сұйықтықтарды) құрайды, бірақ мұндай материалдардың булануы/сублимациясы бөлек молекулаларды жасайды, онда электрондар иондық деп есептелетін байланыстар үшін жеткілікті мөлшерде беріледі, ал ковалентті емес.

Молекулалық өлшемі

Көптеген молекулалар қалың көзбен көруге тым кішкентай, бірақ көптеген полимерлердің молекулалары макроскопиялық өлшемдерге жете алады, оның ішінде ДНҚ сияқты биополимерлер де бар. Органикалық синтез үшін құрылыс блогы ретінде жиі қолданылатын молекулалардың мөлшері бірнеше ангстремнен (Å) бірнеше ондаған ангстремге дейін, немесе метрдің миллиардтан бір бөлігіне дейін болады. Жеке молекулаларды әдетте жарықпен байқау мүмкін емес (жоғарыда айтылғандай), бірақ кейбір жағдайларда атомдық күш микроскопын қолдану арқылы кішкентай молекулалардың және тіпті жеке атомдардың контурларын табуға болады. Ең ірі молекулалардың кейбіреулері макромолекулалар немесе супермолекулалар болып табылады. Ең кішкентай молекула – 0,74 Å байланыс ұзындығы бар ди-водород (H2). Молекуланың тиімді радиусы – молекуланың ерітіндіште көрсететін мөлшері. Әртүрлі заттардың пермселективтілігі туралы кестеде мысалдар келтірілген.

Химиялық формула түрлері

Молекуланың химиялық формуласы химиялық элементтердің символдары, сандары және кейде жақшалар, тысылар, квадрат жақшалар, плюс (+) және минус (-) белгілері сияқты басқа да символдардан тұратын бір қатардан тұрады. Бұл символдардың бір типографиялық қатарымен шектеледі, онда төменгі және үстіңгі индекстер болуы мүмкін. Бір қосылыстың эмпирикалық формуласы – химиялық формуланың ең қарапайым түрі. Ол құрамындағы химиялық элементтердің ең қарапайым бүтін қатынасын көрсетеді. Мысалы, су әрқашан сутегі мен оттегі атомдарының 2:1 қатынасында болады, ал этанол (этил спирті) әрқашан көміртегі, сутегі және оттегінің 2:6:1 қатынасында болады. Дегенмен, бұл молекуланың түрін бірегей анықтамайды – мысалы, диметил эфирі этанолмен ұқсас қатынастарға ие. Әртүрлі орналасқан атомдары бар молекулалар изомерлер деп аталады. Мысалы, көмірсулар да бірдей қатынаста (көміртегі:сутек:оттегі = 1:2:1) (яғни, бірдей эмпирикалық формула) болады, бірақ молекуладағы атомдардың жалпы саны әртүрлі. Молекулалық формула молекуланы құрайтын атомдардың нақты санын көрсетеді және осылайша әртүрлі молекулаларды сипаттайды. Алайда, әртүрлі изомерлер әртүрлі молекулалар бола тұра, бірдей атомдық құрамға ие болуы мүмкін. Эмпирикалық формула көбінесе молекулалық формуламен сәйкес келеді, бірақ әрқашан емес. Мысалы, ацетилен молекуласының молекулалық формуласы C2H2, бірақ элементтердің ең қарапайым бүтін қатынасы CH. Молекулалық массаны химиялық формуладан есептеуге болады және ол бейтарап көміртегі-12 (12C изотопы) атомының массасының 1/12-іне тең дәстүрлі атомдық масса бірліктерінде көрсетіледі. Желілік құрылымды қатты денелер үшін стехиометриялық есептеулерде формулалық бірліктер термині қолданылады.

Құрылымдық формула

Күрделі 3 өлшемді құрылымы бар молекулалар үшін, әсіресе төрт түрлі топшамен байланысқан атомдарды қамтитын, молекуланы толық сипаттау үшін қарапайым молекулалық формула немесе тіпті жартылай құрылымдық химиялық формула жеткіліксіз болуы мүмкін. Мұндай жағдайда құрылымдық формула деп аталатын графикалық түрдегі формула қажет болуы мүмкін. Құрылымдық формулалар өз кезегінде бір өлшемді химиялық атаумен көрсетілуі мүмкін, бірақ мұндай химиялық номенклатураға химиялық формулаларға кірмейтін көптеген сөздер мен терминдер қажет.

Молекулалық геометрия

Молекулалардың белгілі бір тепе-теңдік геометриясы болады – байланыс ұзындықтары мен бұрыштары, олар дірілдеу және айналу қозғалыстары арқылы үнемі тербеліп отырады. Таза зат бірдей орташа геометриялық құрылымы бар молекулалардан тұрады. Молекуланың химиялық формуласы және құрылымы – оның қасиеттерін, әсіресе реакциялық қабілетін анықтайтын екі маңызды фактор. Изомерлер бір химиялық формуланы бөліседі, бірақ әдетте олардың құрылымдарының өзгешелігіне байланысты мүлдем басқа қасиеттерге ие. Стереоизомерлер, изомерлердің нақты бір түрі, өте ұқсас физикалық-химиялық қасиеттерге ие болуы мүмкін, сонымен бірге биохимиялық активтілігі әртүрлі болады.

Молекулалық спектроскопия

Молекулалық спектроскопия белгілі энергиясы (немесе жиілігі) бар сынақ сигналдарымен өзара әрекеттесетін молекулалардың жауабын (спектрін) зерттейді. Молекулалар квантталған энергия деңгейлеріне ие, оларды сіңіру немесе шығару арқылы молекуланың энергия алмасуын анықтап талдауға болады. Спектроскопия, әдетте, нейтрондар, электрондар немесе жоғары энергиялы рентген сәулелері сияқты бөлшектердің молекулалардың реттелген құрылымымен (мысалы, кристалдағыдай) өзара әрекеттесетін дифракциялық зерттеулерді қамтымайды. Микротолқынды спектроскопия молекулалардың айналуындағы өзгерістерді өлшейді және оны сыртқы кеңістіктегі молекулаларды анықтау үшін пайдалануға болады. Инфрақызыл спектроскопия молекулалардың дірілдеуін, соның ішінде созу, иілу немесе бұру қозғалыстарын өлшейді. Ол көбінесе молекулалардағы байланыстардың немесе функционалдық топтардың түрлерін анықтау үшін қолданылады. Электрондардың орналасуының өзгеруі ультракөк сәуле, көрінетін немесе жақын инфрақызыл сәуледе сіңіру немесе шығару сызықтарын тудырады және түске әкеледі. Ядролық резонанстық спектроскопия молекуладағы нақты ядролардың қоршаған ортасын өлшейді және молекуладағы әртүрлі орындардағы атомдардың санын сипаттау үшін қолданылуы мүмкін.

Теориялық аспектілер

Молекулаларды молекулалық физика және теориялық химия арқылы зерттеу негізінен кванттық механикаға негізделеді және химиялық байланысты түсіну үшін маңызды. Молекулалардың ең қарапайымы – сутегі молекуласы ионы, H2+, ал химиялық байланыстардың ең қарапайымы – бір электронды байланыс. H2+ екі оң зарядты протоннан және бір теріс зарядты электроннан тұрады, бұл электрон-электрондық итерлеудің болмауына байланысты жүйенің Шредингер теңдеуін оңай шешуге мүмкіндік береді. Жылдам цифрлық компьютерлердің дамуымен күрделірек молекулалар үшін шамамен есептеулер мүмкін болды және бұл есептеу химиясының басты аспектілерінің бірі болып табылады. Атомдардың орналасуының молекула ретінде қарастырылуға жеткілікті тұрақты екенін қатаң анықтауға тырысқанда, IUPAC оның "кемінде бір тербеліс күйін шектеуге жеткілікті тереңдіктегі потенциалдық энергия бетіне сәйкес келуі керек" деп ұсынады және ол тек өте төмен температурада ғана байқалуы мүмкін. Атомдардың орналасуының молекула ретінде қарастырылуға жеткілікті тұрақты екендігі – бұл операциялық анықтама. Сондықтан, философиялық тұрғыдан алғанда, молекула – фундаменталдық объект емес (мысалы, элементарлық бөлшектен өзгеше); керісінше, молекула ұғымы – химиягердің біз бақылайтын әлемдегі атомдық деңгейдегі өзара әрекеттесу күштері туралы пайдалы тұжырым жасау тәсілі.