분자

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3차원 (왼쪽과 가운데), 2차원 (오른쪽)으로 나타낸 테르페노이드 분자.

분자(分子)는 두 개 이상의 비금속 원자가 화학결합에 의해 일정한 형태로 결합한 것 또는 독립된 입자로 행동한다고 볼 수 있는 원소 자체(He, Ne, Ar 등)를 의미한다. 보통 "물질의 특성을 가지는 가장 작은 입자"로 정의한다. NaCl이나 CaCl2 등의 경우 '분자'라 하지 않고 '화학식 단위(formula unit)'이라 한다.

분자라는 개념을 처음 제안한 것은 아보가드로로서 그의 분자설은 아보가드로의 법칙으로 나타난다.

분자 크기[편집]

대부분의 분자는 너무나도 작아서 사람의 육안으로 보이지 않지만 예외는 있다. 고분자DNA거시적인 크기이다. 가장 작은 분자는 이원자 분자수소 (H2)로 길이는 0.74 옹스트롬이다.[1] 일반적으로 유기 합성을 위하여 쓰이는 분자의 크기는 몇 안 되는 Å부터 수십 Å에 이른다. 단일 분자는 위에서 언급한 바와 같이 빛으로 관찰할 수 없으나 소분자와 각 원자의 윤곽은 원자간력 현미경을 이용하여 일부 환경에서 추적해 낼 수 있다. 가장 큰 분자는 이를테면 고분자초분자가 있다.

위키피디아 영문판 번역[편집]

과학 저널에 따라, 분자를 보자 분자는 두 개 이상의 원자들이 화학결합에 의해 전기적으로 중성을 띠고 있는 그룹이다. 분자들은 이온과 그들의 전하 부족에 의해 구분된다. 그러나, 많은 양자물리학, 유기화학, 그리고 생화학에서는, 분자라는 용어가 다원자성 이온에도 속하면서 덜 엄격하게 주로 사용된다. 기체 분자 운동론에서, 분자라는 용어는 그 구성과 관계없이 어떠한 기체 입자로 종종 사용된다. 이 정의에 따르면, 비활성기체 원자들은 단원자분자이기 때문에 분자들로 고려된다. 분자는 동종 핵일지도 모른다. 즉, 분자는 산소처럼 하나의 원소의 원자들로 구성되어 있을수도 있고 물처럼 하나 이상의 원소로 구성되어있는 화합물인 이핵 핵일지도 모른다. 수소결합이나 이온결합과 같은 비공유결합에 의해 연결된 원자들과 복합체들은 일반적으로 단일분자로 고려되지 않는다.

물질의 구성요소로서의 분자들은 흔히 유기 물질에 속한다(생화학에서). 그들은 또한 해양과 대기의 대부분을 구성한다. 그러나 지각, 맨틀, 그리고 지구의 핵을 구성하는 대부분의 미네랄을 포함하는 지구에 있는 친숙한 고체 물질들의 대다수는 많은 화학 결합들을 포함한다 그러나 알아볼 수 있는 분자들로 이루어있지는 않다. 또한, 어떤 전형적인 분자도 이온 결정(염) 과 공유결정(공유결합)으로 정의될 수 없다. 비록 이것들이 종종 일차원으로 (예를들어 그래핀처럼) 또는 삼차원으로(예를 들어 다이아몬드, 석영, 염화나트륨처럼) 또는 에서반복되는 단위세포로 구성되어 있을지라도 말이다. 이 반복되는 단위 세포 구조의 주제는 또한 대부분 금속 결합과 응축상을 지지한다. 이 것은 고체 금속이 분자로 이루어져 있지 않다는 것을 의미한다. 유리(유리같은 무질서한 상태에서 존재하는 고체)에서 원자들은 또한 한정할 수 없는 어떤 분자의 존재의 없음 또는 결정을 특성화하는 반복되는 단위의 규칙성이 없음과 함께 화학 결합에 의해 붙어있을지도 모른다.

분자과학

초점이 화학에 있냐 물리에 있냐에 따라 분자의 과학은 분자 화학 또는 분자 물리라 불린다. 분자 화학은 이온결합의 형성과 분해를 초래하는 분자사이의 상호작용을 지배하는 법칙들을 다룬다. 반면에 분자 물리는 그들의 구조와 속성을 지배하는 법칙들을 다룬다. 그러나 사실 이 구분은 모호하다. 분자 과학에서, 분자는 두 개 이상의 원자로 구성된 안정된 상태(속박 상태)로 구성되어 있다. 다원자성 이온들은 가끔 전기 전하를 띤 분자로서 유용하게 생각될 때가 있을지도 모른다. 불안정한 분자라는 용어는 매우 반응적인 종류에서 사용된다. 즉, 전자들과 라디칼, 분자 이온, 리드베르크 분자, 전이 상태, 반데르발스 콤플렉스 또는 보스-아인슈타인 응축에서와 같은 충돌하는 원자들의 시스템인 핵들의 오래가지 못하는 집회(공명)이다.

역사와 어원

주요 기사: 분자 이론의 역사
Merriam-Webster와 Online Etymology Dictionary에 따르면 “분자”라는 단어는 라틴어 “몰” 또는 덩어리의 작은 단위로부터 유래된다.
·분자(1794)- 프랑스어 molécule(미립자, 원자)(1678)에 유래된 “극도로 작은 입자”, 라틴어의 축소판인 새로운 라틴어 molecula “질량, 장애물” 처음에는 모호한 의미, (18세기 후까지 오직 라틴형식으로 사용된) 단어의 유행은 데카르트의 철학으로 거슬러 올라간다.
분자의 정의는 분자의 구조에 대한 지식이 증가한 것만큼 진화해왔다. 이른 정의는 분자를 그들의 구성과 화학적 성질들을 유지하는 순수한 화학 물질의 가장 작은 입자로서 정의하면서 덜 정확했다. 이 정의는 예를 들어 바위, 소금, 금속 같은 평범한 경험에서의 물질들이 화학적으로 결합한 원자나 이온의 큰 결정계로 구성되어 있으나 별개의 분자들로 이루어져있지는 않다는 것 이후로 자주 깨졌다.

결합

분자들은 공유결합이나 이온결합에 의해 결합되어 있다. 비금속 원소의 몇몇 종류만이 환경 속에서 오직 분자로서 존재한다. 예를 들어, 수소는 오직 수고 분자로만 존재한다. 화합물의 분자는 두 개 이상의 원소들로 만들어져 있다.

-공유결합

주요 기사: 공유 결합
공유 결합은 원자들 사이에 전하쌍을 공유하는 것을 포함한 화학결합니다. 이러한 전하쌍은 공유쌍 또는 결합쌍이라고 불린다. 그리고 전자들 사이의 매력적이고 혐오스러운 힘들 사이의 안정적인 균형이 그들이 전자를 공유할 때 공유 결합이라고 불린다.

-이온결합

주요 기사: 이온 결합
이온 결합은 상대적인 전하를 띤 이온들 간의 정전기적 인력을 포함한 화학 결합의 한 종류이자 이온결합 화합물에서 발생하는 주요 상호작용이다. 이온들에는 양이온이라 불리는 하나 이상의 전자를 잃은 원자들과 음이온이라 불리는 하나 이상의 전자를 얻은 원자들이 있다. 이 전자의 이동은 공유 결합 원자가의 반대로 이온 결합 원자가라고 불린다. 가장 간단한 경우로, 양이온은 하나의 금속 원자이고 음이온은 하나의 비금속 원자이다. 그러나 이 이온들이 더 복잡하게 자연스러워질 수 있다. 예를 들어 NH4+이나 SO42−같은 분자이온들이 있다. 더 간단히 말해서, 이온 결합은 양 원자들이 모두 완전히 전자가 껍질을 채우기 위한 금속에서 비금속으로의 전하들의 이동이다.

분자 크기

대부분의 분자들은 너무 작아서 육안으로는 볼 수 없다. 하지만 예외들이 존재한다. 거대분자인 DNA는 많은 고분자들이 그러할 수 있는 것처럼 거시적인 크기에 도달할 수 있다. 유기체 합성을 위한 블록 쌓기로 흔히 사용되는 분자들은 약간의 옹스트롬에서 몇 옹스트롬까지 또는 약 1m의 100배까지의 크기를 가지고 있다. 단일 분자들은 보통 빛에 의해서 관찰될 수 없다(위에 나타나있는 것처럼). 하지만 작은 분자들은, 심지어 개개인의 원자들의 윤곽은 원자현미경의 사용에 의한 상황들 속에서 나타나 있을지도 모른다. 가장 큰 분자들 몇몇은 거대분자(고분자) 또는 초분자이다. 가장 작은 분자는 0.74Å의 결합길이를 가지고 있는 수소(H2)이다. 효과적인 분자 반지름은 분자가 용액 속에서 보여주는 크기이다. 다른 물질들을 위한 선택 투과성 표는 예시들을 포함한다.

분자식 -화학식 종류들

주요 기사: 화학식
분자들을 위한 화학식은 원소기호, 번호, 가끔은 괄호, 다시, 그리고 (+)와 (-)기호 같은 다른 기호들의 한 줄이다. 이것들은 기호들의 하나의 인쇄상의 줄에 제한되어 있다. 이것들은 첨자와 어깨번호를 포함할지도 모른다. 한 화합물의 실험식은 화학식의 가장 간단한 종류이다. 이것은 화합물을 구성하는 원소들의 가장 간단한 정수비이다. 예를 들어, 물은 항상 수소와 산소 원자가 2:1의 삐로 구성되어 있다. 그리고 에틸 알코올 또는 에탄올은 항상 탄소, 수소, 산소가 2:6:1의 비율로 구성되어 있다. 그러나 이것은 분자의 종류를 유일하게 결정하지는 않는다. 예를 들어 다이메틸에터는 에탄올과 같은 정수비를 가지고 있다. 같은 원자들로 다른 배열을 가진 분자들을 이성질체라 부른다. 또한 예를 들어 탄수화물은 분자에서 같은 비율(탄소:수소:산소=1:2:1)(그리고 이와 같이 실험식이 같음)의 비율을 가지고 있지만 분자에서 원자들의 총수가 다르다. 분자식은 분자를 구성하는 원자들의 정확한 수를 반영한다. 그래서 다른 분자들로부터 특징짓는다. 그러나 다른 이성질체들은 다른 분자들이지만 같은 원자 구성비를 가질 수도 있다. 실험식은 종종 분자식과 같지만 항상 그런 것은 아니다. 예를 들어 아세틸렌은 분자식C2H2를 갖지만 가장 간단한 원소의 정수비는 CH이다. 분자량은 종종 화학식으로부터 계산될 수 있고 중성 12번 탄소 원자의 질량의 1/12과 동일하게 편리한 원자량 단위로 표현된다. 고체 결합에서, 화학식 단위라는 용어는 화학량적인 계산에서 사용된다.
주요 기사: 구조식
3차원의 복잡한 구조의 분자들, 특히 네 개의 다른 치환기와 결합한 원자들을 포함한 것들에서는, 간단한 분자식이나 심지어 준 구조식에서는 그 분자를 완전히 명시하기에 충분하지 않을지도 모른다. 이 경우에, 화학식의 구조식이라 불리는 그래픽적인 종류가 필요할지도 모른다. 구조식은 결국 1차원의 화학명으로 대표되지만 그러한 화합물 명명법은 많은 단어들과 화학식의 부분이 아닌 용어들을 필요로 한다.

분자 기하학 주요 기사: 분자 기하학

분자들은 진동하고 회전하는 운동을 통해 계속적으로 진동하는 것에 대해서 결합길이와 결합각에 고정된 평형 기하학적 구조를 가지고 있다. 하나의 순수한 물질은 같은 평균 기하학적 구조의 분자들로 구성되어 있다. 분자의 화학식과 구조는 그 특성, 특히 반응성을 결정하는 두 중요한 요인들이다. 이성질체들은 하나의 화학식을 공유하지만 그들의 다른 구조 때문에 보통 매우 다른 특성을 가지고 있다. 이성질체의 특정한 종류인 입체 이성질체는 매우 비슷한 이화학의 특성과 동시에 다른 생화학적 활동들을 가지고 있을지도 모른다.

분자 분광학 주요 기사: 분자 분광학

분자 분광학은 에너지(혹은 진동수(Planck의 공식에 따르면))라고 알려진 면밀한 신호와 상호작용하는 분자들의 반응(스펙트럼)을 다룬다. 분자들은 흡수나 방출을 통하여 분자의 에너지 교환을 감지함으로써 분석될 수 있는 정량화된 에너지 수준을 가지고 있다. 분자 분광학은 일반적으로 중성자, 전자, 또는 높은 에너지 X-ray와 같은 미립자들이 보통의 분자배열(결정에서처럼)로 상호작용하는 회절연구에 나타나 있지 않다.
마이크로파 분광학은 주로 분자의 회전에서의 변화를 측정하고 외부의 공간에서 분자를 확인하기 위해서 사용될 수 있다. 적외선 분광법은 늘어남, 구부림, 비틀림의 운동을 포함한 분자의 진동에서의 변화를 측정한다. 이것은 분자에서의 결합 또는 작용기의 종류를 확인하기 위해서 주로 사용된다. 전자의 배열에서의 변화들은 자외선의, 볼 수 있는 근적외선 빛에서 흡수선 또는 방출선을 생산하고 색을 초래한다. 핵공명분광법은 실제로 분자에서 특정한 핵들의 환경을 측정하고 분자에서 다른 위치에 있는 원자들의 수를 특징짓기 위해서 사용될 수 있다.

이론적 양상

분자물리와 이론 화학에 의한 분자 연구는 크게 양자역학을 기반으로 하고 화학 결합을 이해하는데 필수적이다. 분자들 중 가장 간단한 것은 수소 분자 이온 H2+이고 모든 화학 결합들 중 가장 간단 한 것은 일전자 결합이다. H2+은 두 개의 양전하의 양이온과 한 개의 음전하의 음이온으로 구성되어있다. 이것은 계에서 슈레딩거 방정식이 전자와 전자의 반발의 부족 때문에 더 쉽게 해결될 수 있다는 것을 의미한다. 빠른 디지털 컴퓨터의 발달으로 더 복잡한 분자들을 위한 거의 정확한 해결책이 가능해졌고 컴퓨터 화학의 주요 양상들 중 하나이다.
원자들의 배열이 분자로 고려되기에 충분히 안정적이던지 아니던지 엄격히 정의하려고 할 때, IUPAC은 이것이 “적어도 하나의 진동상태를 제한하기에 충분히 깊은 퍼텐셜 에너지 표면에 있는 저기압에 일치해야만 한다.”고 제안한다. 이 정의는 분자 사이의 상호작용의 본질에 따르지 않고 오직 상호작용의 세기에 따른다. 사실, 이것은 전통적으로 He2와 같은 분자로 고려되지 않는 약한 결합 종들을 포함한다. 이것은 하나의 진동하는 속박상태를 가지고 있으며 매우 헐겹게 묶여 있어서 매우 낮은 기온에도 관찰될 수 있다.
원자들의 배열이 분자로 고려되기에 충분히 안정한지 안정하지 않은지는 본질적으로 사용가능한 정의이다. 그러므로 철학적으로, 분자는 기본적인 독립체가 아니다(예를 들어 반대로 소립자에 대해) 오히려, 분자의 개념은 우리가 관찰하는 세상에서 원자 크기의 상호작용의 세기에 대한 유용한 상태를 만드는 화학자의 방법이다.

같이 보기[편집]

참조[편집]

  1. Roger L. DeKock, Harry B. Gray; Harry B. Gray (1989). 《Chemical structure and bonding》. University Science Books. 199쪽. ISBN 0-935702-61-X.