מולקולה

במדע הכימיה מוֹלֵקוּלָה (מלטינית: Molecula – מסה קטנה); בעברית פְּרֻדָּה) היא קבוצת אטומים המחוברים ביניהם בקשר כימי. פרודה היא החלקיק הקטן ביותר השומר על תכונות של תרכובת. המונח "מולקולה" נטבע על ידי הכימאי אמדאו אבוגדרו.

תמונת מיקרוסקופ כוח אטומי של מולקולת 1,5,9-trioxo-13-azatriangulene, והמבנה הכימי שלה.

מולקולות נפוצות (אמוניה, מים, פחמן דו-חמצני, חמצן וחנקן דו-חמצני)

ערך מורחב – אטום

מונחים

• יסוד כימי (אלמנט) הוא אטום המוגדר בטבלה המחזורית ויש לו מספר אטומי ומשקל אטומי קבוע והוא היחידה הקטנה ביותר השומרת על תכונות היסוד.

• אטום הוא היחידה הקטנה ביותר השומרת על תכונות היסוד. אטום מרכב מגרעין של פרוטונים, הנושאים מטען חשמלי חיובי (+), ונייטרונים שאין להם מטען חשמלי וסביבו אלקטרונים הנושאים מטען שלילי (-).

• תרכובת היא תוצר של תגובה כימית בין יסודות או בין מולקולות המתחברים ליחידה אחת ומהווה מולקולה.

בדרך כלל למולקולה אין מטען חשמלי (סך המטענים החיוביים והשליליים מתאזן). במקרה של מולקולה טעונה, היא מכונה יון (או יון מולקולרי, כדי להבחין בינו לבין יון חד-אטומי).

קשרים בין אטומים ויצירת פרודות (מולקולות)

קשרים כימיים הם כוחות משיכה בין אטומים, יונים או מולקולות, אשר מאפשרים את היווצרותן של תרכובות כימיות. קשרים אלו אחראים על יציבותם של חומרים ועל תכונותיהם הפיזיקליות והכימיות. ניתן לסווג את הקשרים הכימיים לקבוצות עיקריות לפי אופי האינטראקציה: קו-ולנטים, יוניים, מתכתיים, קשרי מימן וכוחות ואן דר ואלס. לתרכובת תכונות שונות מהתכונות של היסודות המרכיבים אותם.

קשר יוני (אלקטרו-ולנטי) נוצר כאשר אלקטרון עובר מאטום אחד (לרוב מתכת) לאטום אחר (לרוב אל־מתכת). בהמסה במים וגם בפלזמה נוצרים יון חיובי (קטיון) ויון שלילי (אניון). המשיכה האלקטרוסטטית בין היונים יוצרת קשר חזק במבנים גבישיים, כגון מלח בישול (NaCl). קשרים אלה נוטים להיווצר בין יסודות בעלי הבדלי אלקטרו שליליות גבוהים. כמו: ${\ce {NaCl -> Na+Cl-}}$

קשר קוולנטי (שיתופי):שני אטומים משתפים ביניהם זוגות של אלקטרונים. קשר זה לא מתפרק ליונים במים ונחשב לקשר חזק. דוגמה: מולקולת חמצן המורכבת משני אטומים :Ö::Ö: או Ö=Ö:

קשר קוולנטי (שיתופי) על-ידי זוגות של אלקטרונים משותפים:

מולקולות מורכבות יכולות להכיל קשרים קו-ולנטים ואלקטרו-ולנטים. קשרים קו-ולנטים דוגמה CH₄ (מתן) או חומצה גופריתנית: H₂SO₄ שמתפרקת ליונים במים: ⁺2H ו- ^{- -} [SO4]. הגופרית מתקשרת לחמצן בקשר קוולנטי, ולחמצן נותר קשר יוני שלילי . לכן במים מתקבלים יון גפריתני שלילי ושני יוני מימן חיוביים.

מבנה סליל כפול של DNA: הזוגות אדנין - תימין ן - ציטוזין - גואנין שמצמידים את שני הסלילים בקשרי מימן. קשרים בתוך הטבעות הם קו - וולנטים.

קשר מימני נוצר כאשר אטומים בעלי מטען שלילי (כמו חמצן או חנקן) משתפים יון חיובי של מימן. (כמו במבנה הסליל הכפול של ה-DNA, שם הנוקליאוטידים אדנין ותימין קשורים ב3 קשרי מימן, וציטוזין וגואנין ב2 זוגות. הצמדה בין 2 גדילי הסליל בצורה מדויקת חיונית לשמירה על הקוד הגנטי)

קשר ואן דר ואלס נוצר בין מולקולות שלהן מטענים חיוביים ושליליים. נוצר מצב של ריכוז מטענים חיוביים במולקולה דו קוטבית. לעומת ריכוז שלילי במולקולה השנייה.( אפקט הדי-פול) זהו קשר יחסית חלש, אבל מכיוון שיש קשרים רבים בין המולקולות, נוצר קשר חזק.

קשר מתכתי נוצר במתכות כאשר ענני אלקטרונים משותפים לאטומים במבנה הנקרא סריג. תנועת האלקטרונים מאפשרת מעבר זרם חשמלי ויצירת מגנטיות.

הנוסחה הכימית

מולקולה המורכבת מאטומים

מולקולה עשויה להיות מורכבת ממספר אטומים זהים או שונים.

מולקולה חד אטומית

בתאוריה הקינטית של הגזים מקובל להתייחס לכל חלקיק כאל מולקולה, גם כאשר מדובר באטום בלתי-קשור, למשל גז אציל. התייחסות זו ל"מולקולה חד-אטומית" אינה תואמת את ההגדרה המקובלת יותר, המופיעה בפתיחת הערך ואומרת שמולקולה היא מונח בכימיה שמתאר מספר אטומים הקשורים בקשר כימי.

מולקולה דו-אטומית של אותו יסוד

גזים ( פרט לגזים אצילים) נוטים לייצר מולקולות דו אטומיות, בקשר קו- ולנטי. למשל מולקולת חמצן (O₂) המורכבת משני אטומים זהים בקשר קו-ולנטי ( :Ö::Ö: או Ö=Ö:)

פולימר

לעיתים מולקולה מרכבת מעשרות אטומים שונים. למשל מולקולה של חלבון מורכבת מיחידות של חומצות אמינו שלכל אחת מהן הרכב ומבנה שונה. מבנה מורכב זה מאפשר פעילות ביוכימית כמו אנזימים או מבנים ביולוגים כמו רקמות. DNA וגם RNA הן מולקולות מורכבות מ 3 סוגי תרכובות המחוברים יחד. סוכר ריבוז, פוספט ונוקלאוטידים. תרכובות כאלה נקראות פולימרים.כאשר פולימר מרכב ממולקולה החוזרת n פעמים למשל עמילן מרכב ממולקולה של גלוקוז החוזרת שוב. למעשה כל העמילן שבגרעין חיטה הוא פולימר כזה. : ${\ce {[C6H12O6]n}}$.

שיטת תיאור מולקולות מרכבות

המולקולה ניתנת לתיאור על ידי נוסחה מולקולרית, המפרטת את מספר האטומים מכל סוג במולקולה. כך למשל, הנוסחה המולקולרית של מים היא H₂O. ניתן לכתוב נוסחה מולקולרית, בה מציינים רק את מספר האטומים הכולל, ללא קשר למבנה, או נוסחת מבנה בה מציינים אטומים לפי מיקומם וסוג הקשר שמרכיב את המולקולה.

נוסחה מולקולרית :מתארת את הרכב המולקולה על-ידי ציון מרכיביה ביחסים הכמותיים שבפרודה: לדוגמה: החומר אתנול בצורה CH₃CH₂OH, ודימתיל אתר CH₃OCH₃. בנוסח מצומצם, מתוארים שניהם על ידי הנוסחה C₂H₆O.

נוסחת מבנה: היא תרשים גרפי של הקשרים בתוך המולקולה לדוגמה אתנול: ראה גם דוגמה גלוקוז: שלו נוסחה מולקולרית היא C₆H₁₂O₆

נוסחת המבנה של סליל ה DNA מורכבת מפירוט היחידות המרכיבות אותה.

שמות של מולקולות נהוג לציין מבנה של מולקולות בציון מילולי. למשל דו-תחמוצת -הפחמן ( CO2) או דימתיל- אתר( אתר הקשור לשתי קבוצות מתיליות) כימה אורגנית משתמשת בשמות אלה

איזומריה

ערך מורחב – איזומר

איזומריה היא מצב שבו מולקולה בעלת נוסחה מולקולרית אחת קיימת בשתי צורות מרחביות שונות. במולקולות בעלות חשיבות ביולוגית קיים לפעמים הבדל בפעילות הביוכימית של המולקולות.

קיימים סוגי איזומרים שונים. הנפוצה היא איזומריה אופטית, כאשר איזומר אחד שובר את האור המקוטב ימינה והשני שמאלה. למשל dGLUCOSE (ימינה) ו- LGLUCOSE ( שמאלה)

נוסחת מבנה של מולקולת אתנול: מוצגים הקשרים שבין האטומים:

התחום שעוסק בהבנת המבנה המרחבי של מולקולות קרוי סטריאוכימיה. מולקולות שלא ניתן ליצור חפיפה בינן ובין תמונת המראה שלהן, על ידי פעולת סיבוב במרחב, קרויות מולקולות כיראליות.

מולקולה של פורמלין בדגם כדור-מקל. הכדור השחור מייצג פחמן, האדום חמצן והלבנים מימן

גודל

כמעט כל המולקולות הבודדות קטנות מדי מכדי להיראות בעין בלתי מזוינת, אם כי ישנם מקרים חריגים של מקרומולקולות כמו פולימרים המאפשרים זאת, כולל ביופולימרים כמו DNA. גודלן של המולקולות הנפוצות בתרכובות אורגניות הוא בדרך כלל מספר אנגסטרומים בודדים עד עשרות. מולקולות בגודל זה אינן ניתנות לצפייה באמצעות מיקרוסקופ אופטי, המוגבל לרזולוציה של עד עשיריות מיקרון, אך ניתנות בדרך כלל למעקב באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי למשל.

המולקולה בעלת הקוטר הקטן ביותר היא מולקולה דו-אטומית של מימן (H₂) שקוטרה 0.74 אנגסטרום. קוטרה של מולקולת Mesoporous silica המופקת באופן מלאכותי מצורן דו-חמצני מגיע ל-1,000 אנגסטרום.

ראו גם

• מיון החלקיקים
• מספר אבוגדרו
• מבנה מולקולרי
• הטבלה המחזורית

קישורים חיצוניים

• אבי בליזובסקי, ‏שיטה מהפכנית לשקילת מולקולה בודדת, באתר "הידען", 6 במאי 2015
• מולקולה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• מולקולות, דף שער בספרייה הלאומית