Moleküle

Moleküle, Bezeichnung für mehr oder weniger stabile, nach außen hin neutrale Teilchen, die aus zwei oder mehreren gleichartigen bzw. verschiedenartigen Atomen zusammengesetzt sind.

Moleküle aus gleichartigen Atomen bezeichnet man auch als homonukleare Moleküle. Zu diesen zählen z. B. die elementaren Gase wie Wasserstoff H₂, Sauerstoff O₂ oder Chlor Cl₂. Auch die Dämpfe von Phosphor P₄ oder Schwefel S₂, S₆ und S₈ sind aus homonuklearen Molekülen zusammengesetzt. Dagegen bestehen heteronukleare Moleküle aus verschiedenartigen Atomen. Beispiele hierfür sind Wasser H₂O und Glucose C₆H₁₂O₆.

Die Atome eines Moleküls werden durch Atombindungen (insbesondere kovalente Bindungen; siehe chemische Bindung) zusammengehalten. Im Gegensatz dazu wirken Zwischenmolekularkräfte wie z. B. Van-der-Waals-Kräfte (siehe Johannes Diderik van der Waals). Entscheidend ist, dass die Kräfte zwischen den Atomen stets stärker sind als die Kräfte zwischen den Molekülen. Bei der Vereinigung von Atomen zu Molekülen wird Energie, die so genannte Bindungsenergie, frei. Deshalb sind Moleküle energieärmer als Atome.

Freie Moleküle treten insbesondere in der Gasphase auf. In flüssiger Phase und in Lösung kommt es zur Assoziation (Vereinigung mehrerer Moleküle) oder zur Solvatation (Anlagerung von Lösungsmittelmolekülen). Im Festkörper bilden die Moleküle ein Molekülgitter bzw. Molekülkristall. Die Anzahl der Atome in Molekülen schwankt zwischen zwei und 100, wobei die so genannten Makromoleküle aus einigen tausend oder sogar Millionen Atomen bestehen können. In den meisten Fällen handelt es sich bei großen Molekülen mit mehr als 1 000 Atomen um organische oder metallorganische Verbindungen. Das bislang größte rein anorganische Molekül mit über 2 000 Atomen enthält 368 Molybdänatome. Die Masse von Molekülen liegt zwischen 10^-24 und 10^-20 Gramm, die eines Makromoleküls bis etwa 10^-18 Gramm. Die Größe der Moleküle hängt von der Anzahl der Atome und deren Anordnung ab. Sie liegt bei gewöhnlichen Molekülen zwischen 10^-8 und 10^-7 Zentimetern (100 und 1 000 Pikometer).

Die Erkenntnisse über die Struktur von Molekülen hat man in erster Linie durch Spektroskopie (z. B. Mikrowellen- und Infrarotspektroskopie) gewonnen. Weitere Untersuchungsmethoden sind u. a. die Elektronenbeugung und die Röntgenstrukturanalyse (siehe Röntgenstrahlen). Letztere wird bei Festkörpern angewandt und erlaubt die Bestimmung von Molekülen in Molekülkristallen.

Neben den experimentellen Methoden haben insbesondere in den letzten Jahren theoretische Verfahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Wenn man die räumliche Verteilung der Elektronen eines Moleküls kennt, besteht die Möglichkeit, den energetischen Zustand des Moleküls zu berechnen. Für Leistungen auf diesem Gebiet erhielten die Wissenschaftler Walter Kohn und John Pople 1998 den Nobelpreis für Chemie. Kohn lieferte mit seiner Dichtefunktionaltheorie (Density-Functional Theory) die theoretischen Grundlagen zur Berechnung der Elektronenverteilung. Pople entwickelte die Basis, derartige Rechenoperationen mit dem Computer durchzuführen. Mit diesen quantenchemischen Berechnungen lassen sich zuverlässige Aussagen über beispielsweise Gleichgewichtsstrukturen oder die elektronische Struktur von Molekülen treffen. Diese Verfahren werden auch zur Überprüfung experimenteller Daten herangezogen.

Die theoretische Beschreibung von Molekülen erfolgt häufig mit Hilfe von Molekülorbitalen. Die Molekülgestalt wird durch Raummodelle oder durch Computergraphiken (z. B. Molecular Modelling) veranschaulicht.

Die Bezeichnung Molekül stammt von dem deutschen Arzt und Philosophen Daniel Sennert. Dieser leitete den Begriff 1618 von dem lateinischen Wort Moles (Masse, Klumpen) ab. Dabei gab es jedoch lange Zeit keine begriffliche Unterscheidung zwischen Atom und Molekül. 1805 schränkte John Dalton bei der Entwicklung seines Atommodells den Begriff Molekül auf die kleinsten Teilchen von Verbindungen ein. Erst Amedeo Avogadro schuf 1811 mit seiner Molekülhypothese die Basis, die die letzten Zweifel an der Existenz von Molekülen beseitigte (siehe Avogadro’sches Gesetz).