miniatura|Imagine de microscopie de forță atomică (AFM) a unei molecule de , în care sunt vizibile cele cinci inele de carbon cu șase atomi fiecare miniatura|Imagine obținută prin microscopie cu efect tunel (STM) a moleculelor de pentacen, care sunt alcătuite din lanțuri liniare de cinci inele de carbon miniatura|Imagine AFM a 1,5,9-trioxo-13-azatriangulenului și structura sa chimică O moleculă este un grup de doi sau mai mulți atomi care sunt menținuți împreună prin forțe de atracție cunoscute sub numele de legături chimice; în funcție de context, termenul poate include sau nu ioni care îndeplinesc acest criteriu.

În fizica cuantică, chimia organică și biochimie, distincția față de ioni este adesea abandonată, iar termenul moleculă este utilizat frecvent și pentru ionii poliatomici.

O moleculă poate fi , adică este alcătuită din atomi ai unui singur element chimic, de exemplu molecula de oxigen (O2); sau poate fi , un compus chimic format din mai multe elemente, cum ar fi apa (doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen; H2O).

În teoria cinetică a gazelor, termenul moleculă este adesea utilizat pentru orice particulă gazoasă, indiferent de compoziția sa. Această utilizare relaxează cerința ca o moleculă să conțină doi sau mai mulți atomi, deoarece gazele nobile sunt formate din atomi individuali. Atomii și complexele conectate prin interacțiuni necovalente, precum legăturile de hidrogen sau legăturile ionice, nu sunt de obicei considerate molecule individuale.

Concepte similare moleculelor au fost discutate încă din antichitate, însă investigarea modernă a naturii moleculelor și a legăturilor dintre ele a început în secolul al XVII-lea. Perfecționat de-a lungul timpului de oameni de știință precum Robert Boyle, Amedeo Avogadro, Jean Perrin și Linus Pauling, studiul moleculelor este cunoscut astăzi sub numele de fizică moleculară sau chimie moleculară.

Istorie

Definiția moleculei a evoluat odată cu creșterea cunoștințelor despre structura moleculelor. Definițiile anterioare erau mai puțin precise, definind moleculele ca fiind cele mai mici particule de substanțe chimice pure care își păstrează încă compoziția și proprietățile chimice. Această definiție este adesea eronată, deoarece multe substanțe din experiența obișnuită, cum ar fi rocile, sărurile și metalele, sunt compuse din rețele cristaline mari de atomi sau ioni legați chimic, dar nu sunt formate din molecule discrete.

Conceptul modern de molecule poate fi urmărit până la filozofi pre-științifici și greci precum Leucip și Democrit, care au susținut că întregul univers este compus din atomi . În jurul anului 450 î.Hr., Empedocle a imaginat elemente fundamentale (focul 20x20px), (20x20px), aer (20x20px) și apă (20x20px) și „forțe” de atracție și respingere care permit elementelor să interacționeze.

Un al cincilea element, chintesența incoruptibilă a eterului, era considerat a fi elementul fundamental de construcție al corpurilor cerești. Punctul de vedere al lui Leucip și Empedocle, împreună cu eterul, a fost acceptat de Aristotel și transmis în Europa medievală și renascentistă.

Într-o manieră mai concretă, însă, conceptul de agregate sau unități de atomi legați, adică „molecule”, își are originile în ipoteza lui Robert Boyle din 1661, din faimosul său tratat „”, conform căreia materia este compusă din grupuri de particule și că schimbarea chimică rezultă din rearanjarea acestor grupuri. Boyle a susținut că elementele de bază ale materiei constau din particule de diferite tipuri și dimensiuni, numite „corpuscule”, care erau capabile să se aranjeze în grupuri. În 1789, a publicat opinii despre ceea ce el numea combinații de particule „ultime”, care au prefigurat conceptul de legături de valență. Dacă, de exemplu, potrivit lui Higgins, forța dintre particula finală de oxigen și particula finală de azot ar fi 6, atunci intensitatea forței ar fi împărțită în mod corespunzător și, în mod similar, pentru celelalte combinații de particule finale.

Amedeo Avogadro a inventat cuvântul „moleculă”. În lucrarea sa din 1811, „Eseu despre determinarea maselor relative ale moleculelor elementare ale corpurilor”, el afirmă în esență, adică conform lucrării „A Short History of Chemistry” de , că:

În coordonare cu aceste concepte, în 1833, chimistul francez a prezentat o explicație clară a ipotezei lui Avogadro privind greutățile atomice, utilizând „diagrame de volum”, care arată clar atât geometrii moleculare semicorecte, cum ar fi o moleculă de apă liniară, cât și formule moleculare corecte, cum ar fi H2O: centru|miniatura|350x350px|Diagramele de volum ale moleculelor în fază gazoasă ale lui Marc Antoine Auguste Gaudin (1833) În 1917, un inginer chimist american, pe nume Linus Pauling, învăța metoda lui Dalton de „lipire prin cârlig și ochi” (hook-and-eye bonding), care era descrierea principală a legăturilor dintre atomi la acea vreme. Pauling, însă, nu era mulțumit de această metodă și s-a orientat către domeniul nou emergent al fizicii cuantice pentru o nouă metodă. În 1926, fizicianul francez Jean Perrin a primit Premiul Nobel pentru fizică pentru că a dovedit, în mod concludent, existența moleculelor. El a făcut acest lucru calculând constanta Avogadro folosind trei metode diferite, toate implicând sisteme în fază lichidă. În primul rând, a folosit o emulsie asemănătoare săpunului , în al doilea rând, efectuând lucrări experimentale asupra mișcării browniene și, în al treilea rând, confirmând teoria lui Einstein despre rotația particulelor în fază lichidă.

În 1927, fizicienii și Walter Heitler au aplicat noua mecanică cuantică pentru a rezolva problema forțelor saturabile, nedinamice, de atracție și repulsie, adică a forțelor de schimb, ale moleculei de hidrogen. Tratamentul lor privind legăturile de valență al acestei probleme, în lucrarea lor comună a reprezentat un moment de referință prin faptul că a adus chimia sub incidența mecanicii cuantice. Munca lor a avut o influență asupra lui Pauling, care tocmai își primise doctoratul și îi vizitase pe Heitler și London la Zürich cu o .

Ulterior, în 1931, bazându-se pe lucrările lui Heitler și London și pe teoriile găsite în celebrul articol al lui Lewis, Pauling a publicat articolul său revoluționar „The Nature of the Chemical Bond” în care a folosit mecanica cuantică pentru a calcula proprietățile și structurile moleculelor, cum ar fi unghiurile dintre legături și rotația în jurul legăturilor. Pe baza acestor concepte, Pauling a dezvoltat teoria hibridizării pentru a explica legăturile din molecule precum CH4, în care patru orbitali hibridizați sp3 sunt suprapuși de orbitalul 1s al hidrogenului, rezultând patru legături sigma (σ). Cele patru legături au aceeași lungime și putere, ceea ce duce la o structură moleculară așa cum se arată mai jos: centru|miniatura|200x200px|O prezentare schematică a orbitalilor hibrizi care se suprapun peste orbitalii hidrogenului

Știința moleculară Știința moleculelor se numește chimia moleculară sau fizica moleculară, în funcție de faptul dacă accentul este pus pe chimie sau pe fizică. Chimia moleculară se ocupă cu legile care guvernează interacțiunea dintre molecule, interacțiune ce duce la formarea și ruperea legăturilor chimice, în timp ce fizica moleculară se ocupă cu legile care guvernează structura și proprietățile acestora. În practică însă, această distincție este vagă. În științele moleculare, o moleculă constă într-un sistem stabil () compus din doi sau mai mulți atomi. Ionii poliatomici pot fi uneori considerați în mod util drept molecule încărcate electric. Termenul de moleculă instabilă este utilizat pentru specii foarte reactive, adică asamblări de scurtă durată (rezonanțe) de electroni și nuclee, precum radicalii, ionii moleculari, , stările de tranziție, complexele van der Waals sau sisteme de atomi în coliziune, ca în condensatul Bose–Einstein.

Prevalență Moleculele, ca componente ale materiei, sunt comune. Ele alcătuiesc, de asemenea, cea mai mare parte a oceanelor și a atmosferei. Majoritatea substanțelor organice sunt molecule. Substanțele vieții sunt molecule, de exemplu proteinele, aminoacizii din care sunt compuse, acizii nucleici (ADN și ARN), zaharurile, carbohidrații, grăsimile și vitaminele. Mineralele nutritive sunt, în general, compuși ionici, deci nu sunt molecule, de exemplu sulfatul de fier.

Totuși, majoritatea substanțelor solide familiare de pe Pământ sunt alcătuite parțial sau complet din cristale sau compuși ionici, care nu sunt formați din molecule. Acestea includ toate mineralele care alcătuiesc scoarța terestră, nisipul, argila, pietricelele, rocile, bolovanii, , interiorul topit și nucleul Pământului. Toate acestea conțin multe legături chimice, dar nu sunt alcătuite din molecule identificabile.

Nu poate fi definită o moleculă tipică pentru săruri și nici pentru , deși acestea sunt adesea compuse din repetate, care se extind fie într-un plan, de exemplu grafenul, fie tridimensional, de exemplu diamantul, cuarțul sau clorura de sodiu. Tema structurii repetitive bazate pe celula elementară se aplică și majorității metalelor, care sunt faze condensate cu legătură metalică. Astfel, metalele solide nu sunt alcătuite din molecule. În sticlă, care este un solid aflat într-o stare vitroasă dezordonată, atomii sunt ținuți împreună prin legături chimice fără existența vreunei molecule definibile și fără regularitatea structurii repetitive de tip celulă elementară care caracterizează sărurile, cristalele covalente și metalele.

Legături Moleculele sunt în general menținute împreună prin legături covalente. Mai multe elemente nemetalice există în mediul natural numai sub formă de molecule, fie în compuși, fie ca molecule homonucleare, nu ca atomi liberi; de exemplu hidrogenul.

Deși unii consideră că un cristal metalic poate fi văzut ca o singură moleculă gigantică menținută de legătură metalică, alții subliniază că metalele se comportă foarte diferit față de molecule.

Covalentă dreapta|miniatura|O legătură covalentă formând H2 (dreapta), unde doi atomi de hidrogen împart cei doi electroni O legătură covalentă este o legătură chimică ce implică partajarea perechilor de electroni între atomi. Aceste perechi de electroni sunt denumite perechi partajate sau perechi de legătură, iar echilibrul stabil dintre forțele atractive și repulsive dintre atomi, atunci când aceștia împart electroni, se numește legătură covalentă.

Ionică

stanga|miniatura|Sodiul și fluorul suferă o reacție redox pentru a forma fluorură de sodiu. Sodiul își pierde electronul extern pentru a obține o configurație electronică stabilă, iar acest electron intră în atomul de fluor în mod exoterm. Legătura ionică este un tip de legătură chimică ce implică atracția electrostatică dintre ioni cu sarcini opuse și reprezintă interacțiunea principală din compușii ionici. Ionii sunt atomi care au pierdut unul sau mai mulți electroni (denumiți cationi) și atomi care au câștigat unul sau mai mulți electroni (denumiți anioni). Acest transfer de electroni se numește electrovalență, în contrast cu covalența. În cel mai simplu caz, cationul este un atom de metal, iar anionul este un atom de nemetal. Totuși, ionii pot avea o natură mai complexă, de exemplu ioni moleculari precum NH4+ sau SO42−. La temperaturi și presiuni normale, legătura ionică produce în principal solide (sau ocazional lichide) fără molecule separate identificabile, însă vaporizarea sau sublimarea acestor materiale produce molecule separate în care electronii sunt încă transferați suficient de complet pentru ca legăturile să fie considerate ionice, nu covalente.

Dimensiunea moleculară