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Moleküle moleˈkyːlə älter auch Molekel moˈleːkəl von lateinisch molecula kleine Masse sind im weiten Sinn zwei oder mehr
Molekül
Moleküle [] (älter auch: Molekel []; von lateinisch 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).
Grundsätzliches
Im engen Sinn und im allgemeinen Sprachgebrauch der Chemie sind Moleküle elektrisch neutrale Teilchen, die aus zwei oder mehreren Atomen aufgebaut sind. Die Atome sind kovalent miteinander verknüpft und bilden einen in sich abgeschlossenen, chemisch abgesättigten Verband. Ein so definiertes Molekül ist das kleinste Teilchen eines bestimmten Reinstoffes und hat eine bestimmbare Molekülmasse. Ein Molekül ist kein starres Gebilde, bei Energiezufuhr treten unterschiedliche Molekülschwingungen auf; hierzu reicht schon die Normaltemperatur.
Moleküle können aus Atomen eines einzigen chemischen Elements aufgebaut sein, wie z. B. Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) (sogenannte Elementmoleküle). Die meisten Moleküle sind jedoch Verbände von Atomen verschiedener Elemente, wie beispielsweise Wasser (H2O) und Methan (CH4). Die Anordnung der Atome (ihre Konstitution) in einem Molekül ist durch die chemischen Bindungen fixiert. So unterscheiden sich trotz gleicher Anzahl der beteiligten Atome Ethanol (H3C–CH2–OH) von Dimethylether (H3C–O–CH3); sie werden durch unterschiedliche chemische Formeln dargestellt. In bestimmten Fällen können Moleküle wie z. B. die Moleküle der Milchsäure Formen mit gleicher Konstitution, aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung (der Konfiguration) vorliegen. Dass gleiche Summenformeln unterschiedliche Moleküle zulassen, wird allgemein Isomerie genannt.
Die chemischen Eigenschaften eines Stoffes sowie spektroskopische Eigenschaften treten schon am einzelnen Molekül auf. Die makroskopischen physikalischen Eigenschaften wie Siede- oder Schmelzpunkt eines molekularen Stoffes entstehen erst mit mehreren Molekülen. Sie werden durch zwischenmolekulare Kräfte bestimmt und können bei Feststoffen zur Bildung von Molekülgittern führen. Große Moleküle werden Makromoleküle genannt. Aus Makromolekülen bestehen Kunststoffe wie PET und Biopolymere wie die Stärke.
Die Größe von zweiatomigen Molekülen liegt im Bereich von 10−10 m (1 Å), relativ große Moleküle aus recht vielen Atomen erreichen einen Durchmesser im Bereich von 10−9 m (10 Å), wobei Makromoleküle noch etwas größer sein können. Experimentell lässt sich die Größe von Molekülen z. B. mit dem Ölfleckversuch abschätzen.
Die Bindungsverhältnisse in Molekülen beruhen auf quantenmechanischen Effekten und werden beispielsweise mit dem VSEPR-Modell, der Valenzbindungstheorie oder der MO-Theorie erklärt und beschrieben.
Abgrenzung
Nicht alle chemischen Verbindungen bestehen aus individuellen Molekülen. Keine Moleküle liegen z. B. bei diamantartigen Stoffen, wie Borcarbid (B4C) und Siliciumcarbid (SiC) vor. Die Atome werden zwar durch kovalente Bindungen zusammengehalten, ein typisches Molekül lässt sich jedoch nicht festlegen. Die chemische Formel ist nur eine Verhältnisformel. Die Anordnung der Atome lässt sich durch eine Elementarzelle darstellen, welche sich immer wiederholt und mit formal offenen (ungenutzten) Valenzelektronen an ihrer Oberfläche enden.
Keine Moleküle liegen auch bei Salzen wie Natriumchlorid (NaCl) vor, die durch ionische Bindungen zusammengehalten werden. Auch hier gibt die Formel das Verhältnis der beteiligten Atome wieder und auch hier kann der Verband der Atome prinzipiell eine beliebige Größe haben und den Bereich von einigen Millimetern erreichen. Grundelemente dieses Verbindungstyps sind Teilchen (hier Atome) mit einer Ladung. Solche Teilchen werden allgemein Ionen genannt. Das Natriumatom bildet ein Kation (Na+), das Chloratom ein Anion (Cl−). Im Fall von Natriumsulfat (Na2SO4) besteht das Anion SO42− aus einem Atomverband, der eine Ladung trägt. Atomverbände mit Ladungen sind keine Moleküle im engen Sinn. Dies ist auch in der organischen Chemie üblich: Essigsäure besteht aus Molekülen, das Anion der Säure wird Acetat-Ion genannt. Ein Sonderfall ist die Massenspektrometrie, bei der der Begriff Molekül-Ion verwendet wird.
Mehratomige Radikale sind ebenfalls keine Moleküle im engeren Sinn, da diese Teilchen chemisch nicht abgesättigt sind. Es ist genügend und eindeutig, sie Radikale zu nennen. Die Bezeichnung „Radikale“ impliziert, dass sie aus mehr als einem Atom bestehen. Besonders in der organischen Chemie sind sie hochreaktive Zwischenprodukte in bestimmten chemischen Reaktionen. Es gibt jedoch auch stabile Radikale, wie Stickstoffmonoxid oder TEMPO. Hier führen zwischenmolekulare Kräfte zu physikalischen Eigenschaften der Verbindungen und diese Verbindungen können als molekular betrachtet werden.
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 | existiert nicht | CH4 | CH4 | CH4 | |||
| Propan | CH3–CH2–CH3 | C3H8 | C3H8 | ||||
| Essigsäure | CH3–COOH | C2H4O2 | CH2O | ||||
| Wasser | 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 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.
Siehe auch
- Molekülphysik
- Molekülrotation
Weblinks
- Literatur von und über Molekül im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
Einzelnachweise
- Eintrag zu molecular entity. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. doi:10.1351/goldbook.M03986.
- Eintrag zu molecule. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. doi:10.1351/goldbook.M04002.
- Der Brockhaus, Naturwissenschaft und Technik. F. A. Brockhaus, Mannheim; Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2003.
- Eintrag zu Moleküle. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 20. Juni 2014.
- Eintrag zu molecular ion. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. doi:10.1351/goldbook.M03988.
- Electrostatic Potential maps. 2. Oktober 2013, abgerufen am 2. April 2022 (englisch).
- Eintrag zu Elektrostatisches Potential. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 4. April 2022.
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Molekule moleˈkyːle alter auch Molekel moˈleːkel von lateinisch 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 konnen Ein Molekul 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 Molekulen unter irdischen Bedingungen nicht stabil IUPAC nennt solche Teilchen molekulare Gebilde molecular entity Darstellung eines Molekuls der Verbindung Remdesivir Unter der elektrostatischen Potenzialoberflache erkennt man das Kugel Stab Modell mit den Atomen und Bindungen GrundsatzlichesDurch Energiezufuhr verursachte Molekulschwingungen eines Ausschnitts einer a Helix Im engen Sinn und im allgemeinen Sprachgebrauch der Chemie sind Molekule elektrisch neutrale Teilchen die aus zwei oder mehreren Atomen aufgebaut sind Die Atome sind kovalent miteinander verknupft und bilden einen in sich abgeschlossenen chemisch abgesattigten Verband Ein so definiertes Molekul ist das kleinste Teilchen eines bestimmten Reinstoffes und hat eine bestimmbare Molekulmasse Ein Molekul ist kein starres Gebilde bei Energiezufuhr treten unterschiedliche Molekulschwingungen auf hierzu reicht schon die Normaltemperatur Molekule konnen aus Atomen eines einzigen chemischen Elements aufgebaut sein wie z B Sauerstoff O2 und Stickstoff N2 sogenannte Elementmolekule Die meisten Molekule sind jedoch Verbande von Atomen verschiedener Elemente wie beispielsweise Wasser H2O und Methan CH4 Die Anordnung der Atome ihre Konstitution in einem Molekul ist durch die chemischen Bindungen fixiert So unterscheiden sich trotz gleicher Anzahl der beteiligten Atome Ethanol H3C CH2 OH von Dimethylether H3C O CH3 sie werden durch unterschiedliche chemische Formeln dargestellt In bestimmten Fallen konnen Molekule wie z B die Molekule der Milchsaure Formen mit gleicher Konstitution aber unterschiedlicher raumlicher Anordnung der Konfiguration vorliegen Dass gleiche Summenformeln unterschiedliche Molekule zulassen wird allgemein Isomerie genannt Die chemischen Eigenschaften eines Stoffes sowie spektroskopische Eigenschaften treten schon am einzelnen Molekul auf Die makroskopischen physikalischen Eigenschaften wie Siede oder Schmelzpunkt eines molekularen Stoffes entstehen erst mit mehreren Molekulen Sie werden durch zwischenmolekulare Krafte bestimmt und konnen bei Feststoffen zur Bildung von Molekulgittern fuhren Grosse Molekule werden Makromolekule genannt Aus Makromolekulen bestehen Kunststoffe wie PET und Biopolymere wie die Starke Die Grosse von zweiatomigen Molekulen liegt im Bereich von 10 10 m 1 A relativ grosse Molekule aus recht vielen Atomen erreichen einen Durchmesser im Bereich von 10 9 m 10 A wobei Makromolekule noch etwas grosser sein konnen Experimentell lasst sich die Grosse von Molekulen z B mit dem Olfleckversuch abschatzen Die Bindungsverhaltnisse in Molekulen beruhen auf quantenmechanischen Effekten und werden beispielsweise mit dem VSEPR Modell der Valenzbindungstheorie oder der MO Theorie erklart und beschrieben AbgrenzungNicht alle chemischen Verbindungen bestehen aus individuellen Molekulen Keine Molekule liegen z B bei diamantartigen Stoffen wie Borcarbid B4C und Siliciumcarbid SiC vor Die Atome werden zwar durch kovalente Bindungen zusammengehalten ein typisches Molekul lasst sich jedoch nicht festlegen Die chemische Formel ist nur eine Verhaltnisformel Die Anordnung der Atome lasst sich durch eine Elementarzelle darstellen welche sich immer wiederholt und mit formal offenen ungenutzten Valenzelektronen an ihrer Oberflache enden Keine Molekule liegen auch bei Salzen wie Natriumchlorid NaCl vor die durch ionische Bindungen zusammengehalten werden Auch hier gibt die Formel das Verhaltnis der beteiligten Atome wieder und auch hier kann der Verband der Atome prinzipiell eine beliebige Grosse haben und den Bereich von einigen Millimetern erreichen Grundelemente dieses Verbindungstyps sind Teilchen hier Atome mit einer Ladung Solche Teilchen werden allgemein Ionen genannt Das Natriumatom bildet ein Kation Na das Chloratom ein Anion Cl Im Fall von Natriumsulfat Na2SO4 besteht das Anion SO42 aus einem Atomverband der eine Ladung tragt Atomverbande mit Ladungen sind keine Molekule im engen Sinn Dies ist auch in der organischen Chemie ublich Essigsaure besteht aus Molekulen das Anion der Saure wird Acetat Ion genannt Ein Sonderfall ist die Massenspektrometrie bei der der Begriff Molekul Ion verwendet wird Mehratomige Radikale sind ebenfalls keine Molekule im engeren Sinn da diese Teilchen chemisch nicht abgesattigt sind Es ist genugend und eindeutig sie Radikale zu nennen Die Bezeichnung Radikale impliziert dass sie aus mehr als einem Atom bestehen Besonders in der organischen Chemie sind sie hochreaktive Zwischenprodukte in bestimmten chemischen Reaktionen Es gibt jedoch auch stabile Radikale wie Stickstoffmonoxid oder TEMPO Hier fuhren zwischenmolekulare Krafte zu physikalischen Eigenschaften der Verbindungen und diese Verbindungen konnen als molekular betrachtet werden DarstellungsweisenEs gibt verschiedene Moglichkeiten Molekule visuell darzustellen wobei jede Darstellungsart bestimmte Vor und Nachteile mit sich bringt Grundsatzlich kann zwischen alphanumerischen oder zeichnerischen Formeldarstellungen und dreidimensionalen Modellen unterschieden werden Daneben werden Molekule auch mit mathematischen Modellen beschrieben Formeldarstellung Verhaltnisformeln haben den niedrigsten Informationsgehalt und geben nur das Verhaltnis der Atome im Molekul 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 zusatzlich die raumliche Anordnung der Bindungen darstellt die sogenannte Konfiguration Daneben existieren weitere Formeldarstellungen etwa die Fischer Projektion welche ebenfalls Information zur Konfiguration enthalt oder die Sagebock und die Newman Projektion welche zusatzlich noch die Konformation darstellen Vergleich verschiedener Formelschreibweisen unterschiedlicher Abstraktionsgrade Strukturformeln Andere DarstellungsweisenElektronenformel Valenzstrichformel Keilstrichformel Skelettformel Konstitutionsformel Summenformel VerhaltnisformelMethan existiert nicht CH4 CH4 CH4Propan CH3 CH2 CH3 C3H8 C3H8Essigsaure CH3 COOH C2H4O2 CH2OWasser existiert nicht existiert nicht H2O H2ODreidimensionale Modelle Gebrauchliche raumliche Molekulmodelle sind das Kalottenmodell das Stabchenmodell und davon abgeleitet das Kugel Stab Modell Im Kalottenmodell wird die Raumerfullung eines Molekuls dargestellt die beiden anderen Modelle zeigen die raumliche Anordnung der Atome und Bindungen Mit quantenmechanischen Computermodellen der Molekule konnen berechnet und am Bildschirm dargestellt werden Sie stellen das elektrostatische Potenzial auf einer Oberflache mit konstanter Elektronendichte dreidimensional dar und ermoglichen ein rasches Erkennen partiell unterschiedlich geladener Bereiche eines Molekuls Diese Darstellungen werden verwendet um Interaktionen zwischen Molekulen zu beurteilen Siehe auchMolekulphysik MolekulrotationWeblinksWiktionary Molekul Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Literatur von und uber Molekul im Katalog der Deutschen NationalbibliothekEinzelnachweiseEintrag zu molecular entity In IUPAC Hrsg Compendium of Chemical Terminology The Gold Book doi 10 1351 goldbook M03986 Eintrag zu molecule In IUPAC Hrsg Compendium of Chemical Terminology The Gold Book doi 10 1351 goldbook M04002 Der Brockhaus Naturwissenschaft und Technik F A Brockhaus Mannheim Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2003 Eintrag zu Molekule In Rompp Online Georg Thieme Verlag abgerufen am 20 Juni 2014 Eintrag zu molecular ion In IUPAC 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