Molécula

Una molécula es un grupo de dos o más átomos que se mantienen unidos por enlaces químicos; dependiendo del contexto, el término puede o no incluir iones que satisfagan este criterio. En la física cuántica, la química orgánica y la bioquímica, se elimina la distinción entre iones y, a menudo, se usa molécula cuando se hace referencia a iones poliatómicos.

En la teoría cinética de los gases, el término molécula suele utilizarse para cualquier partícula gaseosa independientemente de su composición. Esto relaja el requisito de que una molécula contenga dos o más átomos, ya que los gases nobles son átomos individuales.

Una molécula puede ser homonuclear, es decir, consta de átomos de un elemento químico, por ejemplo, dos átomos en la molécula de oxígeno (O ₂ ); o puede ser heteronuclear, un compuesto químico compuesto por más de un elemento, por ejemplo, agua (dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno; H ₂ O).

Los átomos y complejos conectados por interacciones no covalentes, como enlaces de hidrógeno o enlaces iónicos, normalmente no se consideran moléculas individuales.

Las moléculas como componentes de la materia son comunes. También constituyen la mayor parte de los océanos y la atmósfera. La mayoría de las sustancias orgánicas son moléculas. Las sustancias de la vida son moléculas, por ejemplo, proteínas, los aminoácidos que las componen, los ácidos nucleicos (ADN y ARN), azúcares, carbohidratos, grasas y vitaminas. Los minerales nutrientes son generalmente compuestos iónicos, por lo que no son moléculas, por ejemplo, sulfato de hierro.

Sin embargo, la mayoría de las sustancias sólidas conocidas en la Tierra están compuestas parcial o totalmente por cristales o compuestos iónicos, que no están formados por moléculas. Estos incluyen todos los minerales que componen la sustancia de la Tierra, arena, arcilla, guijarros, rocas, cantos rodados, roca madre, el interior fundido y el núcleo de la Tierra. Todos estos contienen muchos enlaces químicos, pero no están hechos de moléculas identificables.

No se puede definir una molécula típica para las sales ni para los cristales covalentes, aunque estos a menudo se componen de celdas unitarias repetitivas que se extienden en un plano, por ejemplo, el grafeno; o tridimensionalmente, por ejemplo, diamante, cuarzo, cloruro de sodio. El tema de la estructura celular unitaria repetida también es válido para la mayoría de los metales que son fases condensadas con enlaces metálicos. Por lo tanto, los metales sólidos no están hechos de moléculas.

En los vidrios, que son sólidos que existen en un estado vítreo desordenado, los átomos se mantienen unidos por enlaces químicos sin la presencia de ninguna molécula definible, ni ninguna de las regularidades de la estructura unitaria celular repetitiva que caracteriza a las sales, cristales covalentes y rieles.

Ciencia molecular

La ciencia de las moléculas se denomina química molecular o física molecular, según se trate de química o de física. La química molecular se ocupa de las leyes que rigen la interacción entre moléculas que da como resultado la formación y ruptura de enlaces químicos, mientras que la física molecular se ocupa de las leyes que rigen su estructura y propiedades. En la práctica, sin embargo, esta distinción es vaga. En ciencias moleculares, una molécula consiste en un sistema estable (estado ligado) compuesto por dos o más átomos. Los iones poliatómicos a veces pueden considerarse útiles como moléculas cargadas eléctricamente. El término molécula inestablese utiliza para especies muy reactivas, es decir, ensamblajes de corta duración (resonancias) de electrones y núcleos, como radicales, iones moleculares, moléculas de Rydberg, estados de transición, complejos de van der Waals o sistemas de átomos en colisión como en el condensado de Bose-Einstein.

Historia y etimología

Según Merriam-Webster y el Online Etymology Dictionary, la palabra "molécula" deriva del latín "moles" o pequeña unidad de masa.

• Molécula (1794) - "partícula extremadamente diminuta", del francés molécule (1678), del nuevo latín molecula, diminutivo del latín moles "masa, barrera". Un significado vago al principio; la moda de la palabra (utilizada hasta finales del siglo XVIII solo en forma latina) se remonta a la filosofía de Descartes.

La definición de la molécula ha evolucionado a medida que ha aumentado el conocimiento de la estructura de las moléculas. Las definiciones anteriores eran menos precisas y definían las moléculas como las partículas más pequeñas de sustancias químicas puras que aún conservan su composición y propiedades químicas. Esta definición a menudo falla, ya que muchas sustancias en la experiencia ordinaria, como rocas, sales y metales, están compuestas de grandes redes cristalinas de átomos o iones unidos químicamente, pero no de moléculas discretas.

Vinculación

Las moléculas generalmente se mantienen unidas por enlaces covalentes. Varios elementos no metálicos existen solo como moléculas en el medio ambiente, ya sea en compuestos o como moléculas homonucleares, no como átomos libres: por ejemplo, el hidrógeno.

Mientras que algunas personas dicen que un cristal metálico puede considerarse una sola molécula gigante unida por enlaces metálicos, otros señalan que los metales se comportan de manera muy diferente a las moléculas.

Covalente

Un enlace covalente es un enlace químico que implica el intercambio de pares de electrones entre átomos. Estos pares de electrones se denominan pares compartidos o pares enlazantes, y el equilibrio estable de fuerzas atractivas y repulsivas entre átomos, cuando comparten electrones, se denomina enlace covalente.

Iónico

El enlace iónico es un tipo de enlace químico que implica la atracción electrostática entre iones con carga opuesta y es la principal interacción que se produce en los compuestos iónicos. Los iones son átomos que han perdido uno o más electrones (denominados cationes) y átomos que han ganado uno o más electrones (denominados aniones). Esta transferencia de electrones se denomina electrovalencia en contraste con la covalencia. En el caso más simple, el catión es un átomo metálico y el anión es un átomo no metálico, pero estos iones pueden ser de naturaleza más complicada, por ejemplo, iones moleculares como NH ₄ o SO ₄. A temperaturas y presiones normales, los enlaces iónicos crean principalmente sólidos (u ocasionalmente líquidos) sin moléculas identificables separadas, pero la vaporización/sublimación de tales materiales produce moléculas separadas donde los electrones aún se transfieren lo suficiente como para que los enlaces se consideren iónicos en lugar de covalentes..

Tamaño molecular

La mayoría de las moléculas son demasiado pequeñas para verse a simple vista, aunque las moléculas de muchos polímeros pueden alcanzar tamaños macroscópicos, incluidos los biopolímeros como el ADN. Las moléculas comúnmente utilizadas como bloques de construcción para la síntesis orgánica tienen una dimensión de unos pocos angstroms (Å) a varias docenas de Å, o alrededor de una milmillonésima parte de un metro. Por lo general, las moléculas individuales no se pueden observar con luz (como se señaló anteriormente), pero las moléculas pequeñas e incluso los contornos de los átomos individuales se pueden rastrear en algunas circunstancias mediante el uso de un microscopio de fuerza atómica. Algunas de las moléculas más grandes son macromoléculas o supermoléculas.

La molécula más pequeña es el hidrógeno diatómico (H ₂ ), con una longitud de enlace de 0,74 Å.

El radio molecular efectivo es el tamaño que muestra una molécula en solución. La tabla de permselectividad para diferentes sustancias contiene ejemplos.

Fórmulas moleculares

Tipos de fórmulas químicas

La fórmula química de una molécula utiliza una línea de símbolos de elementos químicos, números y, a veces, también otros símbolos, como paréntesis, guiones, corchetes y signos más (+) y menos (-). Estos se limitan a una línea tipográfica de símbolos, que pueden incluir subíndices y superíndices.

La fórmula empírica de un compuesto es un tipo muy simple de fórmula química. Es la relación entera más simple de los elementos químicos que la constituyen. Por ejemplo, el agua siempre se compone de una proporción de 2:1 de átomos de hidrógeno y oxígeno, y el etanol (alcohol etílico) siempre se compone de carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de 2:6:1. Sin embargo, esto no determina únicamente el tipo de molécula: el dimetil éter tiene las mismas proporciones que el etanol, por ejemplo. Las moléculas con los mismos átomos en diferentes arreglos se llaman isómeros. También los carbohidratos, por ejemplo, tienen la misma proporción (carbono:hidrógeno:oxígeno= 1:2:1) (y por lo tanto la misma fórmula empírica) pero diferente número total de átomos en la molécula.

La fórmula molecular refleja el número exacto de átomos que componen la molécula y así caracteriza a las diferentes moléculas. Sin embargo, diferentes isómeros pueden tener la misma composición atómica siendo moléculas diferentes.

La fórmula empírica suele ser la misma que la fórmula molecular, pero no siempre. Por ejemplo, la molécula de acetileno tiene la fórmula molecular C ₂ H ₂, pero la proporción entera más simple de elementos es CH.

La masa molecular se puede calcular a partir de la fórmula química y se expresa en unidades de masa atómica convencionales iguales a 1/12 de la masa de un átomo neutro de carbono-12 (isótopo C). Para sólidos de red, el término unidad de fórmula se usa en cálculos estequiométricos.

Fórmula estructural

Para moléculas con una estructura tridimensional complicada, especialmente con átomos unidos a cuatro sustituyentes diferentes, una fórmula molecular simple o incluso una fórmula química semiestructural puede no ser suficiente para especificar completamente la molécula. En este caso, es posible que se necesite un tipo de fórmula gráfica llamada fórmula estructural. Las fórmulas estructurales pueden, a su vez, representarse con un nombre químico unidimensional, pero dicha nomenclatura química requiere muchas palabras y términos que no forman parte de las fórmulas químicas.

Geometría molecular

Las moléculas tienen geometrías de equilibrio fijas (longitudes y ángulos de enlace) alrededor de las cuales oscilan continuamente a través de movimientos de vibración y rotación. Una sustancia pura está compuesta de moléculas con la misma estructura geométrica promedio. La fórmula química y la estructura de una molécula son los dos factores importantes que determinan sus propiedades, particularmente su reactividad. Los isómeros comparten una fórmula química pero normalmente tienen propiedades muy diferentes debido a sus diferentes estructuras. Los estereoisómeros, un tipo particular de isómero, pueden tener propiedades fisicoquímicas muy similares y, al mismo tiempo, actividades bioquímicas diferentes.

Espectroscopia molecular

La espectroscopia molecular se ocupa de la respuesta (espectro) de las moléculas que interactúan con señales de sondeo de energía conocida (o frecuencia, según la fórmula de Planck). Las moléculas tienen niveles de energía cuantificados que pueden analizarse detectando el intercambio de energía de la molécula a través de la absorbancia o la emisión. La espectroscopia generalmente no se refiere a estudios de difracción donde partículas como neutrones, electrones o rayos X de alta energía interactúan con una disposición regular de moléculas (como en un cristal).

La espectroscopia de microondas comúnmente mide los cambios en la rotación de las moléculas y puede usarse para identificar moléculas en el espacio exterior. La espectroscopia infrarroja mide la vibración de las moléculas, incluidos los movimientos de estiramiento, flexión o torsión. Se usa comúnmente para identificar los tipos de enlaces o grupos funcionales en las moléculas. Los cambios en la disposición de los electrones producen líneas de absorción o emisión en luz ultravioleta, visible o infrarroja cercana y dan como resultado el color. La espectroscopia de resonancia nuclear mide el entorno de núcleos particulares en la molécula y puede usarse para caracterizar el número de átomos en diferentes posiciones en una molécula.

Aspectos teóricos

El estudio de las moléculas por la física molecular y la química teórica se basa en gran medida en la mecánica cuántica y es esencial para la comprensión del enlace químico. La más simple de las moléculas es la molécula de ion hidrógeno, H ₂, y el más simple de todos los enlaces químicos es el enlace de un electrón. El H ₂ está compuesto por dos protones cargados positivamente y un electrón cargado negativamente, lo que significa que la ecuación de Schrödinger para el sistema puede resolverse más fácilmente debido a la falta de repulsión electrón-electrón. Con el desarrollo de computadoras digitales rápidas, se hicieron posibles soluciones aproximadas para moléculas más complicadas y son uno de los aspectos principales de la química computacional.

Al tratar de definir rigurosamente si una disposición de átomos es lo suficientemente estable para ser considerada una molécula, la IUPAC sugiere que "debe corresponder a una depresión en la superficie de energía potencial que sea lo suficientemente profunda como para confinar al menos un estado vibratorio". Esta definición no depende de la naturaleza de la interacción entre los átomos, sino solo de la fuerza de la interacción. De hecho, incluye especies con enlaces débiles que tradicionalmente no se considerarían moléculas, como el dímero de helio, He ₂, que tiene un estado de enlace vibratorio y está tan débilmente unido que es probable que solo se observe a temperaturas muy bajas.

Si una disposición de átomos es o no suficientemente estable para ser considerada una molécula es inherentemente una definición operativa. Filosóficamente, por tanto, una molécula no es una entidad fundamental (en contraste, por ejemplo, con una partícula elemental); más bien, el concepto de molécula es la forma que tiene el químico de hacer una declaración útil sobre la fuerza de las interacciones a escala atómica en el mundo que observamos.