분자

Molecule
다른 용도는 분자(동음이의)를 참조하십시오.
6-탄소 고리 5개가 보이는 PTCDA 분자의 원자력 현미경(AFM)[1] 이미지.
5개의 탄소 링으로 구성된 선형 체인으로 구성된 펜타센 분자의 스캔 터널링 현미경 이미지.[2]
1,5,9-트리옥소-13-아자트리앙굴렌의 AFM 영상과 그 화학적 구조.[3]

분자는 화학적 결합에 의해 결합되는 둘 이상의 원자의 그룹이다. 맥락에 따라 용어는 이 기준을 충족하는 이온을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.[4][5][6][7][8]양자물리학, 유기화학, 생화학에서는 이온과의 구별이 떨어지고 다원자 이온을 언급할 때 분자를 사용하는 경우가 많다.

기체의 운동 이론에서 분자라는 용어는 종종 그 구성과 상관없이 어떤 기체 입자에나 사용된다.이것은 고귀한 가스가 개별적인 원자이기 때문에 분자가 둘 이상의 원자를 포함하고 있다는 요건을 완화시킨다.[9]

분자는 단일핵, 즉 산소 분자(O2)에 있는 두 개의 원자와 같은 하나의 화학 원소의 원자로 구성되거나, 물(수소 원자 2개와 산소 원자 1개; HO2)과 같은 둘 이상의 원소로 구성된 화학 화합물인 이질핵일 수 있다.

수소 결합이나 이온 결합과 같은 비공생 상호작용에 의해 연결된 원자와 복합체는 일반적으로 단일 분자로 간주되지 않는다.[10]

물질의 구성 요소로서의 분자는 흔하다.그들은 또한 대부분의 바다와 대기를 구성하고 있다.대부분의 유기 물질은 분자들이다.생명체의 물질은 분자, 예를 들어 단백질, 그들이 구성되는 아미노산, 핵산(DNA와 RNA), 당, 탄수화물, 지방, 비타민 등이다.영양소 미네랄은 일반적으로 이온 화합물이며, 따라서 분자(예: 철 황산염)가 아니다.

그러나 지구상에서 친숙한 고체의 대부분은 결정체나 이온 화합물로 부분적으로 또는 완전히 만들어지는데, 이 화합물은 분자로 만들어지지 않는다.여기에는 지구의 실체를 구성하는 모든 광물, 모래, 점토, 조약돌, 바위, 암석, 암반, 암반, 녹은 내부, 지구의 핵심 등이 포함된다.이 모든 것들은 많은 화학적 결합을 포함하고 있지만 식별할 수 있는 분자로 만들어지지는 않는다.

일반적인 분자는 염분이나 공액 결정의 경우 정의될 수 없다. 단, 이것들은 종종 평면에서 확장되는 반복 단위 세포(예: 그래핀, 다이아몬드, 석영, 염화나트륨)로 구성된다.반복적인 단위-세포 구조의 주제는 금속 접합으로 응축된 위상인 대부분의 금속에도 적용된다.따라서 고체 금속은 분자로 만들어지지 않는다.

유리알에서, 유리알은 유리알이 무질서한 상태로 존재하는 고체로, 원자들은 어떠한 확정 가능한 분자도 존재하지 않는 화학적 결합에 의해, 또한 염분, 공밸런스 결정, 금속을 특징짓는 단위 세포 구조의 어떤 규칙성에도 의해 결합된다.

분자학

분자의 과학은 화학에 초점을 맞추느냐에 따라 분자화학 또는 분자물리학이라고 불린다.분자화학은 화학적 결합의 형성과 파괴를 초래하는 분자간의 상호작용을 지배하는 법칙을 다루는 반면, 분자물리학은 그 구조와 성질을 지배하는 법칙을 다룬다.그러나 실제로는 이러한 구분이 모호하다.분자과학에서 분자는 둘 이상의 원자로 구성된 안정된 시스템(결합 상태)으로 구성된다.다원자 이온은 때때로 전기적으로 충전된 분자로 간주될 수 있다.불안정한 분자라는 용어는 매우 반응성이 높은 종, 즉 활성산소, 분자 이온, 라이드버그 분자, 전이 상태, 반 데르 발스 콤플렉스 또는 보세-아인슈타인 응축물에서와 같이 원자와 충돌하는 시스템과 같은 전자와 핵의 단명 조립체(보스-아인슈타인 것이다.

역사와 어원

주요 기사:분자 이론의 역사

Merriam-Webster와 온라인 어원 사전에 따르면, "molecula"라는 단어는 라틴어 "moles" 또는 작은 질량 단위에서 유래한다.

  • 분자(1794) – 프랑스 어금니(1678), 뉴 라틴 몰큘라(1678), 라틴 몰 "질량, 장벽"의 작은 분자.처음에는 모호한 의미, 그 단어에 대한 유행(18세기 후반까지 라틴어 형태로만 사용)은 데카르트의 철학으로 거슬러 올라갈 수 있다.[11][12]

분자의 구조에 대한 지식이 증가함에 따라 분자의 정의는 진화해 왔다.이전의 정의는 분자를 구성과 화학적 성질을 여전히 유지하고 있는 순수 화학 물질의 가장 작은 입자로 정의하면서 덜 정밀했다.[13]이 정의는 암석, 소금, 금속과 같은 평범한 경험의 많은 물질들이 화학적으로 결합된 원자나 이온의 큰 결정체 네트워크로 구성되지만 이산 분자로 만들어지지는 않기 때문에 종종 허물어진다.

본딩

분자는 일반적으로 공동 결합에 의해 결합된다.몇몇 비금속 원소들은 단지 환경 내의 분자로만 존재하며, 예를 들어 수소와 같은 자유 원자로는 존재하지 않는다.

어떤 사람들은 금속 결정체가 금속 결합에 의해 결합되는 하나의 거대한 분자로 간주될 수 있다고 말하지만,[14] 다른 사람들은 금속이 분자와 매우 다르게 작용한다고 지적한다.[15]

코발렌트

두 개의 수소 원자가 두 개의 전자를 공유하는 H2(오른쪽)를 형성하는 공밸런트 결합
주요기사 : 공밸런트 본딩

공밸런트 결합은 원자 사이의 전자 쌍의 공유를 포함하는 화학 결합이다.이러한 전자쌍을 공유쌍 또는 결합쌍이라고 하며, 원자 간 매력적이고 반발적인 힘의 안정적인 균형을 전자를 공유할 때 공밸런트 결합이라고 한다.[16]

이오닉

주요 기사:이온 결합
나트륨과 불소가 리독스 반응을 일으켜 불소화 나트륨을 형성하고 있다.나트륨은 안정적인 전자 구성을 위해 외부 전자를 잃고, 이 전자는 불소 원자 속으로 외기적으로 들어간다.

이온 본딩은 정전기 이온 간의 정전기 흡수를 수반하는 화학 결합의 일종으로, 이온 화합물에서 발생하는 일차 상호작용이다.이온은 하나 이상의 전자(단자 양이온)를 잃은 원자와 하나 이상의 전자(단자 음이온)를 얻은 원자를 말한다.[17]이 전자의 전달은 공밸런스와 대조적으로 전기밸런스라고 불린다.가장 간단한 경우, 양이온은 금속 원자이고 음이온은 비금속 원자지만, 이러한 이온은 NH나4+ SO와42− 같은 분자 이온과 같은 더 복잡한 성질을 가질 수 있다.정상적인 온도와 압력에서 이온 결합은 대부분 식별 가능한 분자가 분리되지 않은 고형분자(또는 때때로 액체)를 생성하지만, 그러한 물질의 기화/하속은 여전히 결합이 공밸런트가 아닌 이온성으로 간주될 수 있을 만큼 충분히 충분히 전달되는 개별 분자를 생성한다.

분자크기

대부분의 분자는 너무 작아서 육안으로 볼 수 없지만 DNA와 같은 생물 고분자를 포함한 많은 중합체의 분자는 거시적인 크기에 도달할 수 있다.유기 합성을 위한 건물 블록으로 일반적으로 사용되는 분자는 수 십 to에 달하는 앙스트롬( ()의 치수를 가지며, 약 10억분의 1m이다.단일 분자는 보통 빛으로 관찰할 수 없지만(위에서 언급한 바와 같이), 작은 분자와 개별 원자의 윤곽조차 원자현미경을 이용하여 어떤 상황에서는 추적할 수 있다.가장 큰 분자 중 일부는 고분자 또는 초분자들이다.

가장 작은 분자는 결합 길이가 0.742 is인 이원자 수소(H)이다.[18]

유효 분자 반경은 분자가 용액에서 표시하는 크기다.[19][20]다른 물질에 대한 선택성 표에는 예가 수록되어 있다.

분자식

화학식 종류

주요 기사:화학식

분자의 화학식은 화학 원소 기호, 숫자, 그리고 괄호, 대시, 괄호, 더하기(+)와 빼기(-) 기호와 같은 다른 기호들의 한 줄을 사용한다.이것들은 하나의 타이포그래픽 기호로 제한되며, 첨자와 위첨자를 포함할 수 있다.

화합물의 경험적 공식은 매우 단순한 형태의 화학 공식이다.[21]그것은 그것을 구성하는 화학 원소의 가장 단순한 정수 비율이다.[22]예를 들어 물은 항상 수소 대 산소 원자의 2:1 비율로 구성되며 에탄올(에틸 알코올)은 항상 2:6:1 비율로 탄소, 수소, 산소로 구성된다.그러나, 이것은 분자의 종류를 고유하게 결정하지는 않는다 – 예를 들어 디메틸에테르에는 에탄올과 같은 비율이 있다.서로 다른 배열로 같은 원자를 가진 분자를 이소머라고 한다.또한 탄수화물은 예를 들어 같은 비율(탄소:수소:산소=1:2:1)을 가지지만(따라서 동일한 경험적 공식) 분자 내 원자의 총수는 다르다.

분자식은 분자를 구성하는 원자의 정확한 수를 반영하여 다른 분자의 특징을 나타낸다.그러나 서로 다른 이소머들은 다른 분자가 되는 동안 동일한 원자 구성을 가질 수 있다.

경험적 공식은 종종 분자 공식과 동일하지만 항상은 아니다.예를 들어, 분자 아세틸렌은 분자 공식 CH를22 가지고 있지만, 원소의 가장 간단한 정수 비율은 CH이다.

분자 질량은 화학 공식에서 계산할 수 있으며 중성 탄소-12(12C 동위원소) 원자 질량의 1/12에 해당하는 기존 원자 질량 단위로 표현된다.네트워크 고형물의 경우 공식 단위라는 용어는 스토이치계 계산에 사용된다.

구조식

테르페노이 분자 아티산 3D(왼쪽 및 가운데) 및 2D(오른쪽) 표현
주요 기사:구조식

3차원 구조가 복잡한 분자의 경우, 특히 네 가지 다른 대체물에 접합된 원자를 포함하는 분자의 경우, 단순한 분자 공식이나 심지어 반구조적 화학 공식으로도 분자를 완전히 특정하기에 충분하지 않을 수 있다.이 경우 구조 공식이라고 하는 그래픽 형식의 공식(graphical format)이 필요할 수 있다.구조 공식은 차례로 1차원 화학 명칭으로 표현될 수 있지만, 그러한 화학 명칭은 화학 공식의 일부가 아닌 많은 단어와 용어를 필요로 한다.

분자 기하학

주요 기사:분자 기하학
"시아노스타" 덴드리머 분자의 구조 및 STM 이미지.[23]

분자는 일정한 평형 기하학(본드 길이와 각도)을 가지고 있으며, 분자는 진동과 회전 운동을 통해 지속적으로 진동한다.순수한 물질은 같은 평균 기하학적 구조를 가진 분자로 구성되어 있다.화학적 공식과 분자의 구조는 그 성질, 특히 반응성을 결정하는 두 가지 중요한 요인이다.이소머는 화학식을 공유하지만 구조가 다르기 때문에 보통 성질이 매우 다르다.특정한 유형의 이소머인 스테레오아오이머는 매우 유사한 물리 화학적 성질을 가지며 동시에 다른 생화학적 활동을 가질 수 있다.

분자 분광학

주요 기사:분광학
수소는 스캐닝 터널링 현미경(STM, a)의 끝에 과도한 전압을 가함으로써 개별 HTPP2 분자에서 제거할 수 있다. 이 제거는 동일한 STM 팁을 사용하여 측정한 TPP 분자의 전류 전압(I-V) 곡선을 다이오드(b의 적색 곡선)에서 저항(녹색 곡선)으로 변경한다.이미지(c)는 TPP, HTPP2, TPP 분자의 열을 보여준다.영상(d)을 스캔하는 동안 흑점(black dot)에서 HTPP에2 과전압이 가해져 (d)의 하단부와 다시 스캔 이미지(e)에 나타난 것처럼 수소를 즉시 제거했다.그러한 조작은 단분자 전자공학에 사용될 수 있다.[24]

분자 분광학에서는 알려진 에너지(또는 플랑크의 공식에 따른 주파수)의 프로빙 신호와 상호작용하는 분자의 반응(스펙트럼)을 다룬다.분자는 흡광도나 배출을 통해 분자의 에너지 교환을 감지함으로써 분석할 수 있는 에너지 수준을 정량화했다.[25]분광학(spectroscopy)은 일반적으로 중성자, 전자 또는 고에너지 X선과 같은 입자가 (결정에서와 같이) 분자의 규칙적인 배열과 상호작용하는 회절 연구를 지칭하지 않는다.

마이크로파 분광기는 일반적으로 분자의 회전 변화를 측정하며, 우주에서 분자를 식별하는 데 사용될 수 있다.적외선 분광기는 스트레칭, 구부러짐 또는 비틀림 동작을 포함한 분자의 진동을 측정한다.분자의 결합이나 기능 그룹의 종류를 식별하는 데 흔히 사용된다.전자 배열의 변화는 자외선, 가시광선 또는 적외선 근처에 흡수선이나 방출선을 생성하며, 색상을 초래한다.핵공명 분광기는 분자 내 특정핵의 환경을 측정하며 분자 내 서로 다른 위치에 있는 원자의 수를 특성화하는 데 사용될 수 있다.

이론적 측면

분자물리학과 이론화학에 의한 분자 연구는 크게 양자역학에 기초하고 있으며 화학적 결합의 이해에 필수적이다.분자 중 가장 단순한 것은 수소 분자-이온-H이며2+, 모든 화학적 결합 중 가장 단순한 것은 일렉트로닉 결합이다.H는2+ 양전하 양성자 2개와 음전하 전자 1개로 구성돼 있어 전자-전자 반발력이 없어 시스템에 대한 슈뢰딩거 방정식이 더 쉽게 풀릴 수 있다는 의미다.빠른 디지털 컴퓨터의 발달로 더 복잡한 분자에 대한 대략적인 해결책이 가능해졌고 컴퓨터 화학의 주요 측면 중 하나이다.

IUPAC는 원자의 배열이 분자로 간주될 만큼 충분히 안정적인지 여부를 엄격하게 정의하려고 할 때, "최소한 하나의 진동 상태를 제한하기에 충분할 정도로 깊은 잠재적 에너지 표면의 우울증에 대응해야 한다"[4]고 제안한다.이 정의는 원자 사이의 상호작용의 성질에 따라 달라지는 것이 아니라 상호작용의 강도에 따라서만 달라진다.사실, 그것은 헬륨디머와 같이 전통적으로 분자로 간주되지 않는 약한 결합 종을 포함한다. 헤는2 하나의 진동 결합 상태를[26] 가지고 있고 매우 낮은 온도에서만 관측될 수 있을 정도로 느슨하게 결합되어 있다.

원자의 배열이 분자로 간주될 만큼 충분히 안정적인지 아닌지는 본질적으로 작동적 정의다.그러므로 철학적으로 분자는 기본적 실체가 아니라(예를 들어, 초립자에 대한) 분자의 개념은 우리가 관찰하는 세계에서 원자 규모의 상호작용의 강점에 대해 유용한 진술을 하는 화학자의 방법이다.

참고 항목

참조

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외부 링크