Molekül
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Ein Molekül ist eine Gruppe von zwei oder mehr Atomen, die durch anziehende Kräfte, die so genannten chemischen Bindungen, zusammengehalten werden; je nach Kontext kann der Begriff auch Ionen umfassen, die dieses Kriterium erfüllen. In der Quantenphysik, der organischen Chemie und der Biochemie wird die Unterscheidung von Ionen fallen gelassen, und der Begriff Molekül wird häufig verwendet, wenn es sich um polyatomare Ionen handelt. ⓘ
In der kinetischen Theorie der Gase wird der Begriff Molekül häufig für jedes gasförmige Teilchen unabhängig von seiner Zusammensetzung verwendet. Damit wird die Anforderung gelockert, dass ein Molekül zwei oder mehr Atome enthält, da die Edelgase einzelne Atome sind. ⓘ
Ein Molekül kann homonuklear sein, d. h. es besteht aus Atomen eines chemischen Elements, z. B. zwei Atome im Sauerstoffmolekül (O2), oder es kann heteronuklear sein, d. h. eine chemische Verbindung, die aus mehr als einem Element besteht, z. B. Wasser (zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom; H2O). ⓘ
Atome und Komplexe, die durch nicht-kovalente Wechselwirkungen wie Wasserstoff- oder Ionenbindungen verbunden sind, werden in der Regel nicht als einzelne Moleküle betrachtet. ⓘ
Moleküle als Bestandteile der Materie sind weit verbreitet. Sie machen auch den größten Teil der Ozeane und der Atmosphäre aus. Die meisten organischen Stoffe sind Moleküle. Die Substanzen des Lebens sind Moleküle, z. B. Proteine, die Aminosäuren, aus denen sie bestehen, die Nukleinsäuren (DNA und RNA), Zucker, Kohlenhydrate, Fette und Vitamine. Bei den Nährstoffen handelt es sich im Allgemeinen um ionische Verbindungen, also nicht um Moleküle, z. B. Eisensulfat. ⓘ
Die meisten bekannten festen Stoffe auf der Erde bestehen jedoch teilweise oder vollständig aus Kristallen oder ionischen Verbindungen, die nicht aus Molekülen bestehen. Dazu gehören alle Mineralien, aus denen die Substanz der Erde besteht, Sand, Ton, Kiesel, Felsen, Geröll, Grundgestein, das geschmolzene Erdinnere und der Erdkern. Sie alle enthalten viele chemische Bindungen, sind aber nicht aus identifizierbaren Molekülen aufgebaut. ⓘ
Weder für Salze noch für kovalente Kristalle lässt sich ein typisches Molekül definieren, obwohl diese oft aus sich wiederholenden Einheitszellen bestehen, die sich entweder in einer Ebene erstrecken, z. B. Graphen, oder dreidimensional, z. B. Diamant, Quarz, Natriumchlorid. Das Thema der sich wiederholenden Elementarzellenstruktur gilt auch für die meisten Metalle, die kondensierte Phasen mit metallischer Bindung sind. Feste Metalle sind also nicht aus Molekülen aufgebaut. ⓘ
In Gläsern, d. h. Festkörpern, die in einem glasartigen, ungeordneten Zustand vorliegen, werden die Atome durch chemische Bindungen zusammengehalten, ohne dass ein definierbares Molekül vorhanden ist und ohne die Regelmäßigkeit der sich wiederholenden Einheitszellstruktur, die für Salze, kovalente Kristalle und Metalle charakteristisch ist. ⓘ
Moleküle [moleˈkyːl] (älter auch: Molekel [moˈleːkəl]; von lat. molecula, „kleine Masse“) sind im weiten Sinn zwei- oder mehratomige Teilchen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden und wenigstens so lange stabil sind, dass sie z. B. spektroskopisch beobachtet werden können. Ein Molekül kann dabei aus mehreren gleichen oder aus verschiedenen Atomen bestehen. Es kann sich um neutrale Teilchen, aber auch um Radikale, Ionen oder auch ionische Addukte handeln. So sind z. B. viele Typen von interstellaren Molekülen unter irdischen Bedingungen nicht stabil. IUPAC nennt solche Teilchen molekulare Gebilde (molecular entity). ⓘ
Molekulare Wissenschaft
Die Wissenschaft von den Molekülen wird als Molekularchemie oder Molekularphysik bezeichnet, je nachdem, ob der Schwerpunkt auf der Chemie oder der Physik liegt. Die Molekularchemie befasst sich mit den Gesetzen, die die Wechselwirkung zwischen Molekülen regeln und die zur Bildung und zum Bruch chemischer Bindungen führen, während sich die Molekularphysik mit den Gesetzen befasst, die ihre Struktur und Eigenschaften bestimmen. In der Praxis ist diese Unterscheidung jedoch ungenau. In den Molekularwissenschaften besteht ein Molekül aus einem stabilen System (gebundener Zustand), das aus zwei oder mehr Atomen besteht. Polyatomare Ionen können manchmal sinnvollerweise als elektrisch geladene Moleküle betrachtet werden. Der Begriff instabiles Molekül wird für sehr reaktive Spezies verwendet, d. h. für kurzlebige Anordnungen (Resonanzen) von Elektronen und Kernen, wie z. B. Radikale, molekulare Ionen, Rydberg-Moleküle, Übergangszustände, van-der-Waals-Komplexe oder Systeme kollidierender Atome wie im Bose-Einstein-Kondensat. ⓘ
Geschichte und Etymologie
Laut Merriam-Webster und dem Online Etymology Dictionary leitet sich das Wort "Molekül" vom lateinischen "moles" oder einer kleinen Masseneinheit ab.
- Molekül (1794) - "äußerst winziges Teilchen", von französisch molécule (1678), von neulateinisch molecula, Diminutiv von lateinisch moles "Masse, Barriere". Zunächst eine vage Bedeutung; die Verbreitung des Wortes (das bis ins späte 18. Jahrhundert nur in lateinischer Form verwendet wurde) geht auf die Philosophie von Descartes zurück. ⓘ
Die Definition des Moleküls hat sich mit dem zunehmenden Wissen über die Struktur der Moleküle weiterentwickelt. Frühere Definitionen waren weniger präzise und definierten Moleküle als die kleinsten Teilchen reiner chemischer Substanzen, die ihre Zusammensetzung und chemischen Eigenschaften noch beibehalten. Diese Definition scheitert oft daran, dass viele Stoffe, die wir aus unserer Erfahrung kennen, wie z. B. Gesteine, Salze und Metalle, aus großen kristallinen Netzwerken chemisch gebundener Atome oder Ionen bestehen, aber nicht aus einzelnen Molekülen. ⓘ
Bindung
Moleküle werden im Allgemeinen durch kovalente Bindungen zusammengehalten. Mehrere nichtmetallische Elemente existieren nur als Moleküle in der Umwelt, entweder in Verbindungen oder als einkernige Moleküle, nicht als freie Atome: zum Beispiel Wasserstoff. ⓘ
Während einige sagen, dass ein Metallkristall als ein einziges riesiges Molekül betrachtet werden kann, das durch metallische Bindungen zusammengehalten wird, weisen andere darauf hin, dass sich Metalle ganz anders verhalten als Moleküle. ⓘ
Kovalent
Eine kovalente Bindung ist eine chemische Bindung, bei der Elektronenpaare zwischen Atomen geteilt werden. Diese Elektronenpaare werden als geteilte Paare oder Bindungspaare bezeichnet, und das stabile Gleichgewicht zwischen anziehenden und abstoßenden Kräften zwischen Atomen, wenn sie Elektronen teilen, wird als kovalente Bindung bezeichnet. ⓘ
Ionen
Die Ionenbindung ist eine Art der chemischen Bindung, die die elektrostatische Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen beinhaltet und die wichtigste Wechselwirkung in ionischen Verbindungen darstellt. Bei den Ionen handelt es sich um Atome, die ein oder mehrere Elektronen verloren haben (so genannte Kationen) und Atome, die ein oder mehrere Elektronen gewonnen haben (so genannte Anionen). Diese Übertragung von Elektronen wird als Elektrovalenz bezeichnet, im Gegensatz zur Kovalenz. Im einfachsten Fall ist das Kation ein Metallatom und das Anion ein Nichtmetallatom, aber diese Ionen können auch komplizierterer Natur sein, z. B. molekulare Ionen wie NH4+ oder SO42-. Bei normalen Temperaturen und Drücken führt die Ionenbindung meist zu Feststoffen (oder gelegentlich zu Flüssigkeiten) ohne getrennte, identifizierbare Moleküle. Bei der Verdampfung/Sublimation solcher Materialien entstehen jedoch getrennte Moleküle, bei denen die Elektronen noch vollständig übertragen werden, so dass die Bindungen als ionisch und nicht als kovalent gelten. ⓘ
Molekülgröße
Die meisten Moleküle sind viel zu klein, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, obwohl die Moleküle vieler Polymere makroskopische Größen erreichen können, einschließlich Biopolymeren wie der DNA. Moleküle, die üblicherweise als Bausteine für die organische Synthese verwendet werden, haben eine Größe von einigen Angström (Å) bis zu mehreren Dutzend Å, also etwa einem Milliardstel Meter. Einzelne Moleküle können in der Regel nicht mit Licht beobachtet werden (wie oben erwähnt), aber kleine Moleküle und sogar die Umrisse einzelner Atome können unter Umständen mit einem Rasterkraftmikroskop verfolgt werden. Einige der größten Moleküle sind Makromoleküle oder Supermoleküle. ⓘ
Das kleinste Molekül ist der zweiatomige Wasserstoff (H2) mit einer Bindungslänge von 0,74 Å. ⓘ
Der effektive Molekülradius ist die Größe, die ein Molekül in Lösung aufweist. Die Tabelle der Permselektivität für verschiedene Stoffe enthält Beispiele. ⓘ
Molekulare Formeln
Chemische Formeltypen
Die chemische Formel für ein Molekül besteht aus einer Zeile mit Symbolen für chemische Elemente, Zahlen und manchmal auch anderen Symbolen wie Klammern, Bindestrichen, Klammern und Plus- (+) und Minuszeichen (-). Diese sind auf eine typografische Zeile von Symbolen beschränkt, die tiefgestellte und hochgestellte Zeichen enthalten können. ⓘ
Die Summenformel einer Verbindung ist eine sehr einfache Art der chemischen Formel. Sie ist das einfachste ganzzahlige Verhältnis der chemischen Elemente, aus denen sie besteht. Zum Beispiel besteht Wasser immer aus einem Verhältnis von 2:1 zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, und Ethanol (Ethylalkohol) besteht immer aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:6:1. Dies bestimmt jedoch nicht eindeutig die Art des Moleküls - Dimethylether hat zum Beispiel die gleichen Verhältnisse wie Ethanol. Moleküle mit gleichen Atomen in unterschiedlichen Anordnungen werden als Isomere bezeichnet. Auch Kohlenhydrate haben z. B. das gleiche Verhältnis (Kohlenstoff:Wasserstoff:Sauerstoff= 1:2:1) (und damit die gleiche Summenformel), aber eine unterschiedliche Gesamtzahl von Atomen im Molekül. ⓘ
Die Summenformel spiegelt die genaue Anzahl der Atome wider, aus denen das Molekül besteht, und charakterisiert somit verschiedene Moleküle. Verschiedene Isomere können jedoch die gleiche atomare Zusammensetzung haben, obwohl sie unterschiedliche Moleküle sind. ⓘ
Die Summenformel ist oft, aber nicht immer, mit der Summenformel identisch. Zum Beispiel hat das Molekül Acetylen die Summenformel C2H2, aber das einfachste ganzzahlige Verhältnis der Elemente ist CH. ⓘ
Die Molekülmasse kann aus der chemischen Formel berechnet werden und wird in konventionellen atomaren Masseneinheiten ausgedrückt, die 1/12 der Masse eines neutralen Kohlenstoff-12-Atoms (12C-Isotop) entsprechen. Für Netzwerkfeststoffe wird in stöchiometrischen Berechnungen der Begriff Formeleinheit verwendet. ⓘ
Strukturelle Formel
Bei Molekülen mit einer komplizierten dreidimensionalen Struktur, insbesondere bei Atomen, die an vier verschiedene Substituenten gebunden sind, reicht eine einfache Molekülformel oder sogar eine halbstrukturelle chemische Formel möglicherweise nicht aus, um das Molekül vollständig zu beschreiben. In diesem Fall kann eine grafische Formel, eine so genannte Strukturformel, erforderlich sein. Strukturformeln können wiederum mit einer eindimensionalen chemischen Bezeichnung dargestellt werden, aber eine solche chemische Nomenklatur erfordert viele Wörter und Begriffe, die nicht Teil der chemischen Formeln sind. ⓘ
Molekulare Geometrie
Moleküle haben feste Gleichgewichtsgeometrien - Bindungslängen und -winkel -, um die sie durch Schwingungs- und Rotationsbewegungen ständig schwingen. Ein reiner Stoff besteht aus Molekülen mit der gleichen durchschnittlichen geometrischen Struktur. Die chemische Formel und die Struktur eines Moleküls sind die beiden wichtigsten Faktoren, die seine Eigenschaften, insbesondere seine Reaktivität, bestimmen. Isomere haben eine gemeinsame chemische Formel, weisen aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur normalerweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Stereoisomere, eine besondere Art von Isomeren, können sehr ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften und gleichzeitig unterschiedliche biochemische Aktivitäten haben. ⓘ
Molekulare Spektroskopie
Die Molekülspektroskopie befasst sich mit der Reaktion (dem Spektrum) von Molekülen, die mit Sondierungssignalen bekannter Energie (oder Frequenz, gemäß der Planckschen Formel) wechselwirken. Moleküle haben quantisierte Energieniveaus, die analysiert werden können, indem der Energieaustausch des Moleküls durch Absorption oder Emission nachgewiesen wird. Die Spektroskopie bezieht sich im Allgemeinen nicht auf Beugungsstudien, bei denen Teilchen wie Neutronen, Elektronen oder hochenergetische Röntgenstrahlen mit einer regelmäßigen Anordnung von Molekülen (wie in einem Kristall) wechselwirken. ⓘ
Die Mikrowellenspektroskopie misst in der Regel Veränderungen in der Rotation von Molekülen und kann zur Identifizierung von Molekülen im Weltraum verwendet werden. Die Infrarotspektroskopie misst die Schwingungen von Molekülen, einschließlich Streck-, Biege- und Drehbewegungen. Sie wird häufig eingesetzt, um die Arten von Bindungen oder funktionellen Gruppen in Molekülen zu identifizieren. Veränderungen in der Anordnung der Elektronen führen zu Absorptions- oder Emissionslinien im ultravioletten, sichtbaren oder nahen infraroten Licht und ergeben die Farbe. Die Kernresonanzspektroskopie misst die Umgebung bestimmter Kerne im Molekül und kann dazu verwendet werden, die Anzahl der Atome in verschiedenen Positionen in einem Molekül zu charakterisieren. ⓘ
Theoretische Aspekte
Die Untersuchung von Molekülen durch die Molekularphysik und die theoretische Chemie basiert weitgehend auf der Quantenmechanik und ist für das Verständnis der chemischen Bindung von wesentlicher Bedeutung. Das einfachste Molekül ist das Wasserstoffmolekül-Ion, H2+, und die einfachste aller chemischen Bindungen ist die Ein-Elektronen-Bindung. H2+ besteht aus zwei positiv geladenen Protonen und einem negativ geladenen Elektron, was bedeutet, dass die Schrödingergleichung für das System leichter gelöst werden kann, da es keine Abstoßung zwischen Elektron und Elektron gibt. Mit der Entwicklung schneller Digitalrechner wurden Näherungslösungen für kompliziertere Moleküle möglich und sind einer der Hauptaspekte der computergestützten Chemie. ⓘ
Bei dem Versuch, streng zu definieren, ob eine Anordnung von Atomen stabil genug ist, um als Molekül zu gelten, schlägt die IUPAC vor, dass sie "einer Vertiefung auf der potenziellen Energieoberfläche entsprechen muss, die tief genug ist, um mindestens einen Schwingungszustand einzuschließen". Diese Definition hängt nicht von der Art der Wechselwirkung zwischen den Atomen ab, sondern nur von der Stärke der Wechselwirkung. Sie schließt sogar schwach gebundene Spezies ein, die traditionell nicht als Moleküle angesehen werden, wie das Heliumdimer He2, das nur einen gebundenen Schwingungszustand aufweist und so locker gebunden ist, dass es wahrscheinlich nur bei sehr niedrigen Temperaturen beobachtet werden kann. ⓘ
Die Frage, ob eine Anordnung von Atomen stabil genug ist, um als Molekül zu gelten oder nicht, ist von Natur aus eine operationale Definition. Philosophisch gesehen ist ein Molekül also keine fundamentale Entität (im Gegensatz etwa zu einem Elementarteilchen); vielmehr ist das Konzept des Moleküls die Art und Weise, wie Chemiker eine nützliche Aussage über die Stärke der Wechselwirkungen auf atomarer Ebene in der von uns beobachteten Welt machen. ⓘ
Darstellungsweisen
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Moleküle visuell darzustellen, wobei jede Darstellungsart bestimmte Vor- und Nachteile mit sich bringt. Grundsätzlich kann zwischen alphanumerischen oder zeichnerischen Formeldarstellungen und dreidimensionalen Modellen unterschieden werden. Daneben werden Moleküle auch mit mathematischen Modellen beschrieben. ⓘ
Formeldarstellung
Verhältnisformeln haben den niedrigsten Informationsgehalt und geben nur das Verhältnis der Atome im Molekül an. Aus der Elektronen- und Valenzstrichformel geht bereits hervor, welche Atome miteinander gebunden sind, die sogenannte Konstitution. Am meisten Information steckt in der Keilstrichformel, welche zusätzlich die räumliche Anordnung der Bindungen darstellt, die sogenannte Konfiguration. Daneben existieren weitere Formeldarstellungen, etwa die Fischer-Projektion, welche ebenfalls Information zur Konfiguration enthält, oder die Sägebock- und die Newman-Projektion, welche zusätzlich noch die Konformation darstellen. ⓘ
| Strukturformeln | Andere Darstellungsweisen | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Elektronenformel | Valenzstrichformel | Keilstrichformel | Skelettformel | Konstitutionsformel | Summenformel | Verhältnisformel | |
| Methan | 
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existiert nicht | CH4 | CH4 | CH4 |
| Propan | 
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CH3–CH2–CH3 | C3H8 | C3H8 |
| Essigsäure | 
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CH3–COOH | C2H4O2 | CH2O |
| Wasser | 
|
|
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existiert nicht | existiert nicht | H2O | H2O |
Dreidimensionale Modelle
Gebräuchliche räumliche Molekülmodelle sind das Kalottenmodell, das Stäbchenmodell und davon abgeleitet das Kugel-Stab-Modell. Im Kalottenmodell wird die Raumerfüllung eines Moleküls dargestellt, die beiden anderen Modelle zeigen die räumliche Anordnung der Atome und Bindungen. ⓘ
Mit quantenmechanischen Computermodellen der Moleküle können elektrostatische Potenzialoberflächen berechnet und am Bildschirm dargestellt werden. Sie stellen das elektrostatische Potenzial auf einer Oberfläche mit konstanter Elektronendichte dreidimensional dar und ermöglichen ein rasches Erkennen partiell unterschiedlich geladener Bereiche eines Moleküls. Diese Darstellungen werden verwendet, um Interaktionen zwischen Molekülen zu beurteilen. ⓘ