Molekül

Darstellung eines Moleküls der VerbindungRemdesivir.Unter derelektrostatischen Potenzialoberflächeerkennt man dasKugel-Stab-Modellmit denAtomenundBindungen.

Moleküle[moleˈkyːl] (älter auch:Molekel[moˈleːkəl]; vonlateinischmolecula‚kleine Masse‘) sind „im weiten Sinn “zwei- oder mehratomigeTeilchen, die durchchemische Bindungenzusammengehalten werden und wenigstens so lange stabil sind, dass sie z. B.spektroskopischbeobachtet werden können. Ein Molekül kann dabei aus mehreren gleichen oder aus verschiedenen Atomen bestehen. Es kann sich um neutrale Teilchen, aber auch umRadikale,Ionenoder auch ionischeAdduktehandeln. So sind z. B. viele Typen voninterstellaren Molekülenunter irdischen Bedingungen nicht stabil.IUPACnennt solche Teilchen „molekulare Gebilde “(molecular entity).

Grundsätzliches

Durch Energiezufuhr verursachteMolekülschwingungeneines Ausschnitts einerα-Helix

Im engen Sinnund im allgemeinen Sprachgebrauch derChemiesind Moleküle elektrisch neutrale Teilchen, die aus zwei oder mehrerenAtomenaufgebaut sind.Die Atome sindkovalentmiteinander verknüpft und bilden einen in sich abgeschlossenen, chemisch abgesättigten Verband. Ein so definiertes Molekül ist das kleinste Teilchen eines bestimmtenReinstoffesund hat eine bestimmbareMolekülmasse.Ein Molekül ist kein starres Gebilde, bei Energiezufuhr treten unterschiedlicheMolekülschwingungenauf; hierzu reicht schon dieNormaltemperatur.

Moleküle können aus Atomen eines einzigenchemischen Elementsaufgebaut sein, wie z. B.Sauerstoff(O₂) undStickstoff(N₂) (sogenannteElementmoleküle). Die meisten Moleküle sind jedoch Verbände von Atomen verschiedener Elemente, wie beispielsweiseWasser(H₂O) undMethan(CH₄). Die Anordnung der Atome (ihreKonstitution) in einem Molekül ist durch die chemischen Bindungen fixiert. So unterscheiden sich trotz gleicher Anzahl der beteiligten AtomeEthanol(H₃C–CH₂–OH) vonDimethylether(H₃C–O–CH₃); sie werden durch unterschiedlichechemische Formelndargestellt. In bestimmten Fällen können Moleküle wie z. B. die Moleküle derMilchsäureFormen mit gleicher Konstitution, aber unterschiedlicherräumlicher Anordnung(derKonfiguration) vorliegen. Dass gleicheSummenformelnunterschiedliche Moleküle zulassen, wird allgemeinIsomeriegenannt.

DiechemischenEigenschaften eines Stoffes sowiespektroskopischeEigenschaften treten schon am einzelnen Molekül auf. DiemakroskopischenphysikalischenEigenschaften wieSiede-oderSchmelzpunkteines molekularen Stoffes entstehen erst mit mehreren Molekülen. Sie werden durchzwischenmolekulare Kräftebestimmt und können bei Feststoffen zur Bildung vonMolekülgitternführen. Große Moleküle werdenMakromolekülegenannt. Aus Makromolekülen bestehenKunststoffewiePETundBiopolymerewie dieStärke.

Die Größe von zweiatomigen Molekülen liegt im Bereich von 10⁻¹⁰m (1Å), relativ große Moleküle aus recht vielen Atomen erreichen einen Durchmesser im Bereich von 10⁻⁹m (10 Å), wobei Makromoleküle noch etwas größer sein können. Experimentell lässt sich die Größe von Molekülen z. B. mit demÖlfleckversuchabschätzen.

Die Bindungsverhältnisse in Molekülen beruhen aufquantenmechanischenEffekten und werden beispielsweise mit demVSEPR-Modell,derValenzbindungstheorieoder derMO-Theorieerklärt und beschrieben.

Abgrenzung

Nicht allechemischen Verbindungenbestehen aus individuellen Molekülen. Keine Moleküle liegen z. B. beidiamantartigen Stoffen,wieBorcarbid(B₄C) undSiliciumcarbid(SiC) vor. Die Atome werden zwar durchkovalente Bindungenzusammengehalten, ein typisches Molekül lässt sich jedoch nicht festlegen. Die chemische Formel ist nur eineVerhältnisformel.Die Anordnung der Atome lässt sich durch eineElementarzelledarstellen, welche sich immer wiederholt und mit formal offenen (ungenutzten)Valenzelektronenan ihrer Oberfläche enden.

Keine Moleküle liegen auch beiSalzenwieNatriumchlorid(NaCl) vor, die durchionische Bindungenzusammengehalten 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 einerLadung.Solche Teilchen werden allgemeinIonengenannt. Das Natriumatom bildet einKation(Na⁺), das Chloratom einAnion(Cl⁻). Im Fall vonNatriumsulfat(Na₂SO₄) besteht das AnionSO₄²⁻aus einem Atomverband, der eine Ladung trägt. Atomverbände mit Ladungen sind keine Moleküleim engen Sinn.Dies ist auch in der organischen Chemie üblich: Essigsäure besteht aus Molekülen, das Anion der Säure wirdAcetat-Iongenannt. Ein Sonderfall ist dieMassenspektrometrie,bei der der BegriffMolekül-Ionverwendet wird.

Mehratomige Radikale sind ebenfalls keine Moleküleim 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 hochreaktiveZwischenproduktein bestimmtenchemischen Reaktionen.Es gibt jedoch auch stabile Radikale, wieStickstoffmonoxidoderTEMPO.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 Alpha numerischen oder zeichnerischenFormeldarstellungenund dreidimensionalenModellenunterschieden werden. Daneben werden Moleküle auch mit mathematischen Modellen beschrieben.

Formeldarstellung

Verhältnisformelnhaben den niedrigsten Informationsgehalt und geben nur das Verhältnis der Atome im Molekül an. Aus derElektronen-undValenzstrichformelgeht bereits hervor, welche Atome miteinander gebunden sind, die sogenannteKonstitution.Am meisten Information steckt in derKeilstrichformel,welche zusätzlich die räumliche Anordnung der Bindungen darstellt, die sogenannteKonfiguration.Daneben existieren weitere Formeldarstellungen, etwa dieFischer-Projektion,welche ebenfalls Information zur Konfiguration enthält, oder dieSägebock-und dieNewman-Projektion,welche zusätzlich noch dieKonformationdarstellen.

Vergleich verschiedener Formelschreibweisen unterschiedlicher Abstraktionsgrade.

	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 dasKalottenmodell,dasStäbchenmodellund 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 könnenelektrostatische Potenzialoberflächenberechnet und am Bildschirm dargestellt werden. Sie stellen daselektrostatische Potenzialauf einer Oberfläche mit konstanterElektronendichtedreidimensional dar und ermöglichen ein rasches Erkennenpartiell unterschiedlich geladenerBereiche eines Moleküls. Diese Darstellungen werden verwendet, um Interaktionen zwischen Molekülen zu beurteilen.

Siehe auch

• Molekülphysik
• Molekülrotation

Weblinks

Wiktionary: Molekül– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Literatur von und über Molekülim Katalog derDeutschen Nationalbibliothek