Molekül

Begriff und Bedeutung

Moleküle sind im weiten Sinn zwei- oder mehratomige Teilchen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden und mindestens so lange stabil sind, dass sie beispielsweise spektroskopisch beobachtet werden können. Sie können aus gleichen oder verschiedenen Atomen bestehen und neutral sein, aber auch Radikale, Ionen oder ionische Addukte umfassen. Die IUPAC bezeichnet solche Teilchen als „molekulare Gebilde“ (molecular entity). Manche interstellaren Moleküle sind unter irdischen Bedingungen nicht stabil.

Im engeren Sinn, der im allgemeinen chemischen Sprachgebrauch üblich ist, sind Moleküle elektrisch neutrale Teilchen aus mindestens zwei Atomen. Diese sind durch kovalente Bindungen verknüpft, also durch gemeinsame Elektronenbindungen, und bilden einen chemisch abgesättigten, in sich abgeschlossenen Verband. Ein solches Molekül ist das kleinste Teilchen eines bestimmten Reinstoffes und besitzt eine bestimmbare Molekülmasse.

Aufbau, Isomerie und Eigenschaften

Moleküle sind nicht starr: Schon bei Normaltemperatur kann Energiezufuhr unterschiedliche Molekülschwingungen auslösen. Elementmoleküle bestehen aus Atomen nur eines Elements, etwa Sauerstoff O₂ oder Stickstoff N₂. Häufiger enthalten Moleküle Atome verschiedener Elemente, zum Beispiel Wasser H₂O oder Methan CH₄.

Die Konstitution bezeichnet, welche Atome in einem Molekül wie durch chemische Bindungen angeordnet sind. Ethanol H₃C–CH₂–OH und Dimethylether H₃C–O–CH₃ enthalten zwar gleich viele Atome, haben aber eine unterschiedliche Konstitution und deshalb unterschiedliche chemische Formeln. Moleküle können außerdem dieselbe Konstitution, aber eine unterschiedliche räumliche Anordnung, die Konfiguration, besitzen; dies wird bei Milchsäure genannt. Dass dieselbe Summenformel verschiedene Moleküle ermöglichen kann, heißt Isomerie.

Chemische und spektroskopische Eigenschaften eines Stoffes zeigen sich bereits am einzelnen Molekül. Makroskopische physikalische Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkt entstehen dagegen erst im Zusammenwirken vieler Moleküle. Ausschlaggebend sind zwischenmolekulare Kräfte; bei Feststoffen können sie Molekülgitter bilden. Große Moleküle heißen Makromoleküle. Kunststoffe wie PET und Biopolymere wie Stärke bestehen aus ihnen.

Zweiatomige Moleküle sind ungefähr 10⁻¹⁰ m (1 Å) groß. Relativ große Moleküle mit vielen Atomen erreichen etwa 10⁻⁹ m (10 Å) Durchmesser; Makromoleküle können noch größer sein. Die Molekülgröße lässt sich beispielsweise mit dem Ölfleckversuch abschätzen. Die Bindungsverhältnisse beruhen auf quantenmechanischen Effekten und werden unter anderem mit dem VSEPR-Modell, der Valenzbindungstheorie und der MO-Theorie beschrieben.

Abgrenzung zu anderen Teilchen und Stoffen

Nicht jede chemische Verbindung besteht aus einzelnen Molekülen. Bei diamantartigen Stoffen wie Borcarbid B₄C und Siliciumcarbid SiC halten kovalente Bindungen die Atome zusammen, doch ein einzelnes typisches Molekül lässt sich nicht bestimmen. Die Formel ist dort lediglich eine Verhältnisformel. Die Struktur kann durch eine sich wiederholende Elementarzelle dargestellt werden, deren Oberfläche formal offene, ungenutzte Valenzelektronen besitzt.

Auch Salze wie Natriumchlorid NaCl enthalten keine individuellen Moleküle. Sie werden durch ionische Bindungen zusammengehalten; die Formel gibt nur das Zahlenverhältnis der beteiligten Atome an. Der Verband kann prinzipiell beliebig groß werden und Millimetergröße erreichen. Seine Grundelemente sind geladene Teilchen, Ionen: Natrium bildet das Kation Na⁺, Chlor das Anion Cl⁻. Beim Natriumsulfat Na₂SO₄ ist SO₄²⁻ ein geladener Atomverband. Solche geladenen Atomverbände gelten im engen Sinn nicht als Moleküle. Entsprechend besteht Essigsäure aus Molekülen, ihr Anion heißt Acetat-Ion. Eine Sonderbezeichnung ist das Molekül-Ion in der Massenspektrometrie.

Mehratomige Radikale sind ebenfalls keine Moleküle im engeren Sinn, weil sie chemisch nicht abgesättigt sind. Sie sind insbesondere in der organischen Chemie oft hochreaktive Zwischenprodukte. Es gibt aber stabile Radikale wie Stickstoffmonoxid oder TEMPO. Bei ihnen führen zwischenmolekulare Kräfte zu physikalischen Eigenschaften der Verbindungen; solche Verbindungen können als molekular betrachtet werden.

Formeln als Darstellungen

Moleküle lassen sich alphanumerisch, zeichnerisch, dreidimensional oder mit mathematischen Modellen beschreiben. Formeldarstellungen unterscheiden sich darin, wie viele Informationen sie über den Aufbau liefern.

Die Verhältnisformel enthält am wenigsten Information: Sie gibt nur das Verhältnis der Atomsorten an. Die Elektronenformel und die Valenzstrichformel zeigen zusätzlich, welche Atome gebunden sind, also die Konstitution. Die Keilstrichformel gibt darüber hinaus die räumliche Anordnung der Bindungen, die Konfiguration, wieder. Die Fischer-Projektion enthält ebenfalls Information zur Konfiguration. Sägebock- und Newman-Projektion zeigen zusätzlich die Konformation, also räumliche Anordnungen, die durch Drehung um Bindungen entstehen können.

Beispiele für unterschiedliche Aussagekraft: Für Methan sind Summen- und Verhältnisformel jeweils CH₄; eine Konstitutionsformel existiert nicht. Für Propan lautet die Konstitutionsformel CH₃–CH₂–CH₃, Summen- und Verhältnisformel sind C₃H₈. Essigsäure kann als CH₃–COOH dargestellt werden, hat die Summenformel C₂H₄O₂ und die Verhältnisformel CH₂O. Bei Wasser sind Summen- und Verhältnisformel H₂O; Konstitutionsformel und Skelettformel existieren nicht.

Räumliche Modelle und Potenzialoberflächen

Räumliche Molekülmodelle machen den dreidimensionalen Aufbau sichtbar. Beim Kalottenmodell steht die Raumerfüllung des Moleküls im Vordergrund. Stäbchenmodell und Kugel-Stab-Modell zeigen dagegen vor allem die räumliche Anordnung von Atomen und Bindungen.

Quantenmechanische Computermodelle können elektrostatische Potenzialoberflächen berechnen. Sie zeigen das elektrostatische Potenzial dreidimensional auf einer Oberfläche mit konstanter Elektronendichte. Dadurch lassen sich Bereiche eines Moleküls mit unterschiedlichen partiellen Ladungen schnell erkennen. Solche Darstellungen helfen, mögliche Interaktionen zwischen Molekülen zu beurteilen.