분자의 진화와 발견: 과학의 역사와 개념

분자란 두 개 이상의 원자가 서로 인화력에 의해 결합되어 있는 물질로, 맥락에 따라 이 용어가 이온을 포함하거나 포함하지 않을 수도 있다. 양자 물리학, 유기 화학 및 생화학에서 이온과 구별 없이 분자라는 용어는 종종 다원자 이온을 가리킬 때 사용된다.

분자는 동일한 화학 원소의 원자로 이루어진 동핵성(homonuclear)일 수 있으며, 예를 들어 산소 분자(O2)의 경우와 같이 두 개의 원자가 있을 수 있다. 또는 여러 요소로 이루어진 이원핵성(heteronuclear)일 수 있으며, 물(H2O)의 경우처럼 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자가 결합된 화합물일 수도 있다. 기체의 운동론에서는 분자라는 용어가 구성에 상관없이 기체 입자를 가리키는 데 자주 사용된다. 이로써 기체 분자의 요구 조건인 두 개 이상의 원자가 포함되어야 한다는 조건이 완화되며, 희귀 기체는 개별 원자이다. 고리 구조나 이온 결합과 같은 비공유 상호작용으로 연결된 원자 및 복합체는 일반적으로 단일 분자로 간주되지 않는다.

분자와 유사한 개념은 고대부터 논의되어 왔으며, 분자의 성질과 결합에 대한 현대적인 연구는 17세기에 시작되었다. 과거의 로버트 보일, 아메데오 아보가드로, 장 페랭, 라이너스 폴링과 같은 과학자들에 의해 점차 정립되어 오늘날에는 분자 연구를 분자 물리학 또는 분자 화학이라고 한다.

어원

Merriam-Webster와 온라인 어원 사전에 따르면 "분자"라는 단어는 라틴어 "moles"로 작은 질량 단위에서 파생되었다. 이 단어는 프랑스어 molécule (1678)에서 파생되었으며, 네오 라틴어 molecula의 준말인 라틴어 moles "질량, 장벽"에서 유래되었다. 이 단어는 18세기 후반까지 라틴어 형태로만 사용되었으며, 데카르트의 철학 작품에서 사용된 이후에 인기를 얻게 되었다.

역사

분자의 정의는 분자 구조에 대한 지식이 증가함에 따라 발전해 왔다. 초기 정의는 분자를 여전히 구성과 화학적 특성을 유지하는 순수한 화학 물질의 최소 입자로 정의하였다. 이 정의는 많은 일상 경험에서의 물질인 바위, 염, 금속 등이 큰 결정 구조의 화학 결합된 원자나 이온 네트워크로 이루어져 있지만 이산 분자로 구성되지 않기 때문에 종종 붕괴된다.

분자의 현대 개념은 원자와 공백으로 이루어진 모든 우주로 구성되었다는 생각을 제시한 레우키푸스와 데모크리토스와 같은 선사시대와 그리스 철학자들과 관련이 있다. 기원전 450년 경에 엠페도클레스는 기본 원소(불 (), 흙 (), 기 () 및 물 ())와 원소 간의 "힘"을 상호 작용하고 반발력하게 하여 원소 간 상호 작용을 가능하게 하는 개념을 상상했다.

고정 불변의 에테르와 함께 레우키푸스와 엠페도클레스의 견해는 아리스토텔레스에 의해 받아들여지고 중세와 르네상스 유럽에 전해졌다.

더 구체적으로 분자 또는 원자 간의 결합 단위 개념은 로버트 보일의 1661년 가설로 거슬러 올라간다. 그는 유명한 저작인 "의심 많은 화학자(The Sceptical Chymist)"에서 물질은 입자의 집합체로 이루어져 있으며 화학적 변화는 입자의 재배열에서 나타난다고 주장했다. 보일은 물질의 기본 원소가 "체성"이라 불리는 다양한 종류와 크기의 입자로 구성되어 이들이 그룹을 형성할 수 있는 "코퍼클스"로 이루어져 있다고 주장했다. 1789년에는 윌리엄 히긴스가 "

"최종 입자"의 조합에 대한 견해를 게시하여 원자 간 결합의 개념을 전망했다. 히긴스는 예를 들어 산소의 최종 입자와 질소의 최종 입자 간의 힘이 6이라면 해당 힘의 강도는 그에 따라 분할되며, 다른 최종 입자의 조합에도 마찬가지로 적용된다.

아메데오 아보가드로는 "분자"라는 용어를 만들었다. 그의 1811년 논문 "물체의 기본 분자의 상대 질량 결정에 관한 에세이"에서 그는 본질적으로 다음과 같이 주장했다. Partington의 "화학 역사 요약"에 따르면, 기체의 최소 입자는 반드시 간단한 원자가 아니라, 특정 수의 이들 원자가 연결되어 단일 분자를 형성하는 끌림에 의해 구성되어 있다.

이러한 개념과 함께 1833년에 프랑스 화학자 마르크 안투완 오귀상은 원자의 중량과 관련된 아보가드로의 가설에 대한 명확한 설명을 제시하였다. 이는 "부피 다이어그램"을 활용하여 수직한 물 분자와 같은 반올바른 분자 기하학과 H2O와 같은 정확한 분자 공식을 분명하게 보여주는 방법이었다.

1917년, 미국의 알려지지 않은 대학생 화학 공학자 라이너스 폴링은 당시 원자 간 결합에 대한 볼과 눈을 엮는 방법인 돌튼 후크-앤-아이 결합법을 배우고 있었다. 그러나 폴링은 이 방법에 만족하지 않았으며, 새로 나타나기 시작한 양자 물리학 분야를 새로운 방법으로 활용하기 위해 노력했다. 1926년에는 프랑스 물리학자 장 페랭이 액체 상태 시스템을 이용하여 아보가드로 상수를 계산하여 물질의 존재를 확실하게 증명하고 노벨 물리학상을 수상했다. 이때 세 가지 다른 방법을 사용하여 아보가드로 상수를 계산했는데, 이는 감보자와 같은 비동적인 힘인 포화 가능한 힘의 존재와 상호 작용에 관한 것이었다. 이에 따라 우선은 감보자와 같은 비동적인 힘인 포화 가능한 힘의 존재와 상호 작용에 관한 것이었다. 이에 따라 우선은 감보자와 같은 비동적인 힘인 포화 가능한 힘의 존재와 상호 작용에 관한 것이었다. 이에 따라 우선은 감보자와 같은 비동적인 힘인 포화 가능한 힘의 존재와 상호 작용에 관한 것이었다. 이에 따라 우선은 감보자와 같은 비동적인 힘인 포화 가능한 힘의 존재와 상호 작용에 관한 것이었다. 이에 따라 우선은 감보자와 같은 비동적인 힘인 포화 가능한 힘의 존재와 상호 작용에 관한 것이었다.

1927년, 물리학자 프리츠 런던과 월터 하이틀러는 수소 분자의 포화 가능한 비동적인 인력 및 반발력, 즉 교환력을 다루기 위해 새로운 양자 역학을 적용했다. 그들의 히발렌스 결합법에 관한 논문은[18] 수소 분자의 경우에 대한 것으로, 화학을 양자 역학 아래로 가져왔다는 점에서 의미가 있었다. 그들의 작업은 폴링에 영향을 미쳤으며, 그는 박사학위를 받은 직후에 그들을 방문하고 구겐하임 펠로우십으로 취리히의 하이틀러와 런던을 방문했다.

그 후 1931년에는 이러한 개념을 토대로 헬라이드 결합이라는 개념을 개발하여 CH4와 같은 분자 내의 결합을 설명했다. 이때 수소의 1s 궤도와 겹치는 4개의 sp³ 하이브리다이즈 궤도로 구성된 분자 구조로 이어지는 네 개의 시그마 (σ) 결합이 생성된다. 이 네 개의 결합은 길이와 강도가 동일하며 아래와 같은 분자 구조를 생성한다.

분자 과학

분자의 과학은 화학 또는 물리학에 중점을 두는 분자 화학 또는 분자 물리학이라는 이름으로 불린다. 분자 화학은 화학 결합의 형성과 파괴에 이르는 분자 간 상호작용을 지배하는 법칙을 다루며, 분자 물리학은 그 구조와 특성을 지배하는 법칙을 다룬다. 그러나 실제로는 이 구분이 모호하다. 분자 과학에서 분자는 두 개 이상의 원자로 구성된 안정한 시스템(결합 상태)으로 구성된다. 다원이온은 때로 전기적으로 충전된 분자로 생각할 수도 있다. 불안정한 분자는 매우 반응적인 종류인 단명한 조립체(공명체), 분자 이온, 리드베르크 분자, 전이 상태, 반발벽 복합체 또는 보즈-아인슈타인 응집과 같은 물질 또는 충돌 원자 시스템을 나타낸다.