분자 - Molecule

분자 - Molecule


분자 - Molecule

분자는 두 개 이상의 원자가 화학적 결합에 의해 결합된 전기적으로 중립적인 그룹이다. 분자는 전하가 부족하여 이온과 구별된다. 그러나 양자물리학, 유기화학, 생화학에서는 분자라는 용어가 덜 엄격하게 쓰이며 다원자 이온에도 적용되기도 한다. 기체의 운동 이론에서 분자라는 용어는 구성과 상관없이 기체 입자에 자주 사용된다. 이 정의에 따르면 고귀한 기체 원자는 단원자 분자여서 분자로 간주된다. 분자는 산소(O2)와 같이 하나의 화학 원소의 원자로 구성되거나 물(H2O)과 같이 둘 이상의 원소로 구성된 화학 화합물인 이질핵일 수 있다. 수소 결합이나 이온 결합과 같은 비공존 상호작용에 의해 연결된 원자와 복합체는 전형적으로 단일 분자로 간주되지 않는다. 물질의 성분으로서의 분자는 유기물에서 흔히 볼 수 있다. 그들은 또한 대부분의 바다와 대기를 구성한다. 그러나 지구의 지각, 맨틀, 핵심을 구성하는 대부분의 광물을 포함한 지구상의 친숙한 고체 물질의 대부분은 많은 화학적 결합을 포함하고 있지만 식별 가능한 분자로 이루어져 있지는 않다. 또한, 일반적인 분자는 이온 결정(salts)과 공밸런트 결정에 대해 정의될 수 없지만, 이러한 분자는 평면 또는 3차원에서 확장되는 반복 단위 세포로 구성된다. 반복된 단위 - 세포 구조의 주제는 또한 금속 접합으로 응축된 대부분의 단계를 유지하는데, 이는 고체 금속도 분자로 만들어지지 않는다는 것을 의미한다. 유리(독성 불규칙한 상태로 존재하는 고체)에서, 원자는 어떤 확정 가능한 분자의 존재도, 결정체를 특징짓는 반복 단위의 규칙성도 없는 화학 결합에 의해 결합될 수 있다.


분자 과학

분자의 과학을 분자화학 또는 분자물리학이라고 하는데, 초점은 화학이나 물리학에 맞추어져 있는가에 따라 달라진다. 분자 화학은 화학적 결합의 형성과 파괴를 초래하는 분자 간의 상호작용을 지배하는 법칙을 다루는 반면, 분자 물리학은 그 구조와 성질을 지배하는 법칙을 다룬다. 그러나 실제로는 이 구분이 모호하다. 분자 과학에서 분자는 두 개 이상의 원자로 구성된 안정된 시스템(결합 상태)으로 구성된다. 다원자 이온은 때때로 전기적으로 충전된 분자로 유용하게 생각할 수 있다. 불안정한 분자라는 용어는 매우 반응성이 강한 종, 즉, 전자 및 핵의 단명 어셈블리에 쓰이며, 이를테면 급진, 분자 이온, 라이드버그 분자, 전이 상태, 반 데르 발스 콤플렉스 또는 보세 - 아인슈타인 응축체에서처럼 원자와 충돌하는 시스템 등이 있다.


분자 화학식

분자의 화학식은 화학 원소 기호, 숫자, 그리고 때로는 괄호, 대시, 대괄호, 그리고 더하기(+)와 빼기(-) 기호와 같은 다른 기호들의 한 줄을 사용한다. 이러한 기호는 한 개의 타이포그래픽 라인으로 제한되며, 여기에는 첨자와 대첨자가 포함될 수 있다. 화합물의 경험적 공식은 매우 단순한 형태의 화학적 공식이다. 그것을 구성하는 화학 원소의 가장 단순한 정수 비율이다. 예를 들어 물은 항상 수소 대 산소 원자의 2:1 비율로 구성되며, 에탄올(에틸알코올)은 항상 2:6:1 비율로 탄소, 수소, 산소로 구성된다. 그러나, 이것은 독특한 분자의 종류를 결정하지는 않는다 – 예를 들어, 디메틸 에테르는 에탄올과 같은 비율을 가지고 있다. 서로 다른 배열에서 같은 원자를 가진 분자를 이소머라고 한다. 또한 탄수화물은 예를 들어 같은 비율(탄소:수소:oxygen= 1:2:1)을 가지지만(따라서 같은 경험적 공식) 분자의 총 원자의 수는 다르다. 분자식은 분자를 구성하는 정확한 원자의 수를 반영하여 다른 분자의 특성을 나타낸다. 그러나 서로 다른 이소머는 다른 분자가 되는 동안 동일한 원자 구성을 가질 수 있다. 경험적 공식은 종종 분자 공식과 같지만 항상 그렇지는 않다. 예를 들어, 분자 아세틸렌은 분자식 C2H2를 가지고 있지만, 원소의 가장 간단한 정수비는 CH이다. 분자량은 화학식으로부터 계산할 수 있으며, 중성 탄소-12 (12C 동위원소) 원자의 질량의 1/12에 해당하는 기존의 원자 질량 단위로 표현된다. 네트워크 고형물의 경우 공식 단위라는 용어는 온도계 계산에 사용된다.


분자 크기

많은 중합체의 분자가 DNA와 같은 생체적합체를 포함한 거시적 크기에 도달할 수 있지만 대부분의 분자는 육안으로 볼 수 없을 정도로 너무 작다. 유기 합성의 구성 요소로 흔히 사용되는 분자는 몇 개의 앵스트롬(Nagstroms)에서 수십 개의 å, 또는 약 10억분의 1미터의 치수를 가진다. 단일 분자는 보통 빛으로 관측할 수 없지만(위에서 언급한 바와 같이) 작은 분자와 개별 원자의 윤곽조차 원자력 현미경을 이용하여 어떤 상황에서는 추적할 수 있다. 가장 큰 분자 중에는 고분자나 초분자가 있다. 가장 작은 분자는 이원자 수소(H2)이며, 결합 길이는 0.74 å.이다. 유효 분자 반경은 분자가 용액에서 표시하는 크기다. 서로 다른 물질에 대한 초선택성 표에는 예가 수록되어 있다.


원자와 분자

전자는 쿨롱의 힘에 의해 원자의 핵에 결합될 수 있다. 핵에 결합된 하나 이상의 전자의 체계를 원자라고 한다. 전자의 수가 핵의 전기 전하와 다르면 그런 원자를 이온이라 한다. 결합된 전자의 파동 같은 행동은 원자 궤도라는 함수에 의해 설명된다. 각 궤도에는 에너지, 각운동량, 각운동량 투영과 같은 양자수 집합이 있으며, 이들 궤도들의 이산 집합만이 핵 주위에 존재한다. 파울리 제외 원리에 따르면 각 궤도에는 최대 2개의 전자가 점유할 수 있으며, 이는 스핀 양자수가 달라야 한다. 전자는 전위차이에 일치하는 에너지를 가진 광자의 방출이나 흡수에 의해 서로 다른 궤도 사이를 이동할 수 있다. 기타 궤도 전달 방법으로는 전자와 같은 입자와의 충돌과 오거 효과 등이 있다. 원자를 탈출하기 위해서는 전자의 에너지가 원자에 대한 결합 에너지 이상으로 증가되어야 한다. 이것은 예를 들어, 원자의 이온화 에너지를 초과하는 입사 광자가 전자에 의해 흡수되는 광전 효과와 함께 발생한다.


전자의 궤도 각도 운동량은 정량화된다. 전자는 전하를 띠기 때문에 각운동량에 비례하는 궤도 자석 모멘트를 생성한다. 원자의 순 자기 모멘트는 모든 전자와 핵의 궤도 및 스핀 자기 모멘트의 벡터 합과 같다. 핵의 자기 모멘트는 전자의 모멘트에 비해 무시할 수 있다. 같은 궤도(일명 페어링된 전자)를 차지하는 전자의 자기 모멘트는 서로를 취소한다. 원자 사이의 화학적 결합은 양자역학의 법칙에 의해 설명된 전자기 상호작용의 결과로 일어난다. 가장 강한 결합은 원자 사이의 전자의 공유나 전달에 의해 형성되어 분자의 형성이 가능하다. 분자 내에서 전자는 여러 개의 핵의 영향을 받아 움직이며, 분자 궤도를 차지하는데, 이는 고립된 원자에서 원자 궤도를 점유할 수 있는 만큼 많다. 이러한 분자 구조에서 근본적인 요인은 전자 쌍의 존재다. 이들은 반대되는 스핀을 가진 전자로, 파울리 배타원리를 위반하지 않고 동일한 분자궤도를 점유할 수 있다(원자와 유사하다). 분자 궤도에 따라 전자 밀도의 공간 분포가 다르다. 예를 들어 결합 쌍(즉, 원자를 실제로 결합하는 쌍)에서 전자는 핵 사이의 상대적으로 작은 부피에서 최대 확률로 발견될 수 있다. 대조적으로, 비 결합 쌍에서는 전자가 핵 주위에 큰 볼륨으로 분포한다

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