Representación esquemática de los átomos (bolas negras) y los enlaces moleculares (barras blancas-grises) de una molécula deFullereno C60, es decir, una sustancia elemental formada por sesenta átomos decarbono.Imagen en unmicroscopio de fuerza atómica (AFM) de una molécula de PTCDA, en la que son visibles los cinco anillos de seis carbonos.[1]Una imagen de microscopía de túnel de barrido de moléculas depentaceno, que consisten en cadenas lineales de cinco anillos de carbono.[2]Imagen AFM de 1,5,9-trioxo-13-azatrianguleno y su estructura química.[3]
Antes, se definía la molécula de forma menos general y precisa, como la más pequeña parte de unasustancia que podía tener existencia independiente y estable conservando aún sus propiedades fisicoquímicas. De acuerdo con esta definición, podían existir moléculas monoatómicas. En lateoría cinética de losgases, el términomolécula se aplica a cualquier partícula gaseosa con independencia de su composición. De acuerdo con esta definición, losátomos de ungas noble se considerarían moléculas aunque se componen de átomos no enlazados.[10]
Una molécula puede consistir en varios átomos de un únicoelemento químico, como en el caso deloxígeno diatómico (O2),[11] o de diferentes elementos, como en el caso delagua (H2O).[12] Los átomos y complejos unidos por enlaces no covalentes como losenlaces de hidrógeno o losenlaces iónicos no se suelen considerar como moléculas individuales.
Las moléculas como componentes de la materia son comunes en las sustancias orgánicas (y por tanto en labioquímica). También conforman la mayor parte de losocéanos y de laatmósfera. Sin embargo, un gran número de sustancias sólidas familiares, que incluyen la mayor parte de losminerales que componen lacorteza, elmanto y elnúcleo de laTierra, contienen muchos enlaces químicos, pero no están formados por moléculas. Además, ninguna molécula típica puede ser definida en loscristales iónicos (sales) o en cristales covalentes, aunque estén compuestos porceldas unitarias que se repiten, ya sea en un plano (como en elgrafito) o en tres dimensiones (como en eldiamante o elcloruro de sodio). Este sistema de repetir una estructura unitaria varias veces también es válida para la mayoría de lasfases condensadas de lamateria conenlaces metálicos, lo que significa que los metales sólidos tampoco están compuestos por moléculas. En elvidrio (sólidos que presentan un estado vítreo desordenado), los átomos también pueden estar unidos por enlaces químicos sin que se pueda identificar ningún tipo de molécula, pero tampoco existe la regularidad de la repetición de unidades que caracteriza a loscristales.
Las moléculas rara vez se encuentran sin interacción entre ellas, salvo en gases enrarecidos y en losgases nobles. Así, pueden encontrarse enredes cristalinas, como el caso de las moléculas de H2O en el hielo o con interacciones intensas, pero que cambian rápidamente de direccionalidad, como en el agua líquida. En orden creciente de intensidad, las fuerzas intermoleculares más relevantes son: lasfuerzas de Van der Waals y lospuentes de hidrógeno.
Ladinámica molecular es un método de simulación por computadora que utiliza estas fuerzas para tratar de explicar las propiedades de las moléculas.
No se puede definir una molécula típica para sales ni paracristales covalentes, aunque estos a menudo se componen de células unitarias repetidas que se extienden en un plano, por ejemplo, elgrafeno ; o tridimensionalmente, por ejemplo, eldiamante, elcuarzo, o elcloruro de sodio. El tema de la estructura celular unitaria repetida también se aplica a la mayoría de los metales que son fases condensadas con enlaces metálicos. Por 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 presencia de ninguna molécula definible, ni ninguna de la regularidad de la estructura celular unitaria repetida que caracteriza a las sales, cristales covalentes y rieles.
La ciencia de las moléculas se denominaquímica molecular ofísica molecular, dependiendo de si se centra en la química o en la física. La química molecular se ocupa de las leyes que rigen la interacción entre las moléculas que da lugar a la formación y ruptura deenlaces 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 imprecisa. En las ciencias moleculares, una molécula consiste en un sistema estable (estado ligado) compuesto por dos o másátomos. Losiones poliatómicos pueden considerarse a veces como moléculas cargadas eléctricamente. El términomolécula inestable se utiliza para especies muyreactivas, es decir, conjuntos de corta duración (resonancias) de electrones ynúcleos, comoradicales,iones moleculares,moléculas de Rydberg,estados de transición,complejos de van der Waals, o sistemas de átomos en colisión como en elcondensado de Bose-Einstein.
Según la Real Academia Española el vocablo «molécula» deriva dellatínmoles 'mole' o 'masa' y el sufijo diminutivo -ula 'masa pequeña'.[14]
Molécula (1794) - «partícula extremadamente diminuta», del francésmolécule (1678), delNuevo Latínmolecula, diminutivo del latínmolesmasa, 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 deDescartes.[15][16]
La definición de molécula ha ido evolucionando a medida que ha aumentado el conocimiento de la estructura de las moléculas. Las definiciones anteriores eran menos precisas, y definían las moléculas como laspartículas más pequeñas desustancia químicas puras que aún conservan sucomposición y sus propiedades químicas.[17] Esta definición a menudo se rompe ya que muchas sustancias en la experiencia ordinaria, comorocas,sales, ymetales, se componen de grandes redes cristalinas de átomos deenlace químico oiones, pero no están hechas de moléculas discretas.
De manera menos general y precisa, se ha definido molécula como la parte más pequeña de unasustancia química que conserva sus propiedades químicas, y a partir de la cual se puede reconstituir la sustancia sinreacciones químicas. De acuerdo con esta definición, que resulta razonablemente útil para aquellas sustancias puras constituidas por moléculas, podrían existir las "moléculas monoatómicas" degases nobles, mientras que lasredes cristalinas,sales,metales y la mayoría devidrios quedarían en una situación confusa.
Las moléculaslábiles pueden perder su consistencia en tiempos relativamente cortos, pero si eltiempo de vida medio es del orden de unas pocasvibraciones moleculares, estamos ante un estado detransición que no se puede considerar molécula. Actualmente, es posible el uso deláser pulsado para el estudio de la química de estos sistemas.
Las entidades que comparten la definición de las moléculas, pero tienen carga eléctrica se denominaniones poliatómicos,iones moleculares omoléculas ion. Las sales compuestas por iones poliatómicos se clasifican habitualmente dentro de los materiales de base molecular o materiales moleculares.
Ejemplo de molécula poliatómica: el agua
Las moléculas están formadas por partículas. Una molécula viene a ser la porción de materia más pequeña que aún conserva las propiedades de la materia original. Las moléculas se encuentran fuertemente enlazadas con la finalidad de formar materia. Las moléculas están formadas por átomos unidos por medio deenlaces químicos.
Una molécula es una unidad de sustancia que puede ser monoatómica o poliatómica. La unidad de todas las sustancias gaseosas es la molécula.[18]
Moléculas discretas: constituidas por un número bien definido de átomos, sean estos del mismo elemento (moléculas homonucleares, como el dinitrógeno o el fullereno) o de elementos distintos (moléculas heteronucleares, como el agua).
Molécula de dinitrógeno, elgas que es el componente mayoritario delaire
Molécula de agua, «disolvente universal», de importancia fundamental en innumerables procesos bioquímicos eindustriales
Representación poliédrica del anión de Keggin, unpolianión molecular
Macromoléculas opolímeros: constituidas por la repetición de una unidad comparativamente simple —o un conjunto limitado de dichas unidades— y que alcanzanpesos moleculares relativamente altos.
Representación de un fragmento deADN, un polímero de importancia fundamental en lagenética
Losátomos que forman las moléculas se mantienen juntos medianteenlaces covalentes oenlaces iónicos. Varios tipos deelementos no metálicos existen solo como moléculas en el medio ambiente. Por ejemplo, elhidrógeno solo existe como molécula de hidrógeno. Una molécula de un compuesto está formada por dos o más elementos.[19] Unamolécula homonuclear está formada por dos o más átomos de un solo elemento.
Mientras que algunas personas dicen que un cristal metálico puede considerarse una sola molécula gigante unida porenlaces metálicos,[20] otros señalan que los metales actúan de manera muy diferente a las moléculas.[21]
Un enlace covalente que forma H2 (derecha) donde dos átomos de hidrógeno comparten los dos electrones.
Unenlace covalente es unenlace químico que implica el intercambio de pares deelectrones entre átomos. Estos pares de electrones se denominanpares compartidos opares de enlace, y el equilibrio estable de fuerzas atractivas y repulsivas entre átomos, cuando comparten electrones, se denominaenlace covalente.[22]
Elsodio y elflúor experimentan unareacción redox para formarfluoruro de sodio. El sodio pierde su electrón externo para adoptar una configuración electrónica estable, y este electrón entra en el átomo de flúor en forma exotérmica.
Elenlace iónico es un tipo de enlace químico que implica laatracción electrostática entre iones concarga eléctrica opuesta y es la interacción principal que se produce en los compuestos iónicos. Los iones son átomos que han perdido uno o más electrones (denominadoscationes) y átomos que han ganado uno o más electrones (denominadosaniones).[23] Esta transferencia de electrones se denominaelectrovalencia en contraste con la covalencia. En el caso más simple, el catión es un átomo de metal y el anión es un átomo no metálico, pero estos iones pueden ser de naturaleza más complicada, por ejemplo, iones moleculares como NH4+ o SO42−.
A temperaturas y presiones normales, la unión iónica crea principalmentesólidos (u ocasionalmentelíquidos) sin moléculas identificables separadas, pero lavaporización/sublimación de tales materiales produce pequeñas moléculas separadas donde los electrones aún se transfieren lo suficiente como para que los enlaces se consideren iónicos en lugar de covalentes.
La estructura molecular puede ser descrita de diferentes formas. Lafórmula molecular es útil para moléculas sencillas, como H2O para elagua o NH3 para elamoniaco. Contiene lossímbolos de los elementos presentes en la molécula, así como su proporción indicada por los subíndices.
Cuando se quieren mostrar variadas propiedades moleculares, o se trata de sistemas muy complejos comoproteínas,ADN opolímeros, se utilizan representaciones especiales, como los modelos tridimensionales (físicos o representados por ordenador). En proteínas, por ejemplo, cabe distinguir entre estructura primaria (orden de los aminoácidos), secundaria (primer plegamiento en hélices, hojas, giros…), terciaria (plegamiento de las estructuras tipo hélice/hoja/giro para dar glóbulos) y cuaternaria (organización espacial entre los diferentes glóbulos).
Figura 1. Representaciones de laterpenoide,atisano,3D (centro izquierda) y2D (derecha). En el modelo 3D de la izquierda, los átomos decarbono están representados por esferas azules; las blancas representan a los átomos dehidrógeno y los cilindros representan los enlaces. El modelo es una representación de la superficies molecular, coloreada por áreas decarga eléctrica positiva (rojo) o negativa (azul). En el modelo 3D del centro, las esferas azul claro representan átomos de carbono, las blancas de hidrógeno y los cilindros entre los átomos son losenlaces simples.
Lamecánica clásica y elelectromagnetismo clásico no podían explicar la existencia y estabilidad de las moléculas, ya que de acuerdo con sus ecuaciones una carga eléctrica acelerada emitiría radiación por lo que los electrones necesariamente perderían energía cinética por radiación hasta caer sobre elnúcleo atómico. Lamecánica cuántica proveyó el primer modelo cualitativamente correcto que además predecía la existencia de átomos estables y proporcionaba explicación cuantitativa muy aproximada para fenómenos empíricos como losespectros de emisión característicos de cada elemento químico.
En mecánica cuántica una molécula o un ion poliatómico se describe como un sistema formado por electrones de masa y núcleos de masas. En mecánica cuántica las interacciones físicas de estos elementos se presentan por unhamiltoniano cuántico, cuyosautovalores serán las energías permitidas del sistema y cuyasautofunciones describirán losorbitales moleculares de la molécula, y de esos objetos se podrán deducir las propiedades químicas de la molécula. En lo que sigue se designará mediantee, la carga de cada electrón, mientras que la de cada núcleo, con protones, será. Para estudiar este sistema es necesario analizar el siguientehamiltoniano cuántico:
definido sobre el espacio de funciones antisimetrizadas de cuadrado integrable, las coordenadas asociadas a las posiciones de los electrones vienen dadas por y la de los núcleos atómicos vienen dadas por. Y las interacciones electrostáticas entre electrones y núcleos vienen dadas por el potencial que se puede escribir como:
donde el primer término representa la interacción de los electrones entre sí, el segundo la interacción de los electrones con los núcleos atómicos, y el tercero las interacciones de los núcleos entre sí. En una molécula neutra se tendrá obviamente que:
Resolver el problema deautovalores y autofunciones para el hamiltoniano cuántico dado por (1) es un problema matemático difícil, por lo que es común simplificarlo de alguna manera. Así dado que los núcleos atómicos son mucho más pesados que los electrones (entre 103 y 105 veces más) puede suponerse que los núcleos atómicos apenas se mueven comparados con los electrones, por lo que se considera que están congelados en posiciones fijas, con lo cual se puede aproximar el hamiltoniano (1) por la aproximación deBorn-Oppenheimer dada por:
definido sobre el espacio de funciones y donde es la posición de los núcleos que para el análisis se considera fija. El resultado básico de este análisis viene dado por el siguiente resultado matemático:
Teorema de Kato
Los operadores y sonautoadjuntos y acotados inferiormente.
La propiedad de ser autoadjunto implicará que las energías son cantidades reales, y el que sean acotados inferiormente implicará que existe unestado fundamental de mínima energía por debajo del cual los electrones no pueden decaer, y por tanto, las moléculas serán estables, ya que los electrones no pueden perder y perder energía como parecían predecir las ecuaciones del electromagnetismo clásico. Dos resultados matemáticos adicionales nos dicen como son las energías permitidas de los electrones dentro de una molécula:[24]
Teorema HVZ para átomos y moléculas BO
Elespectro esencial, donde, la energía se denomina umbral de ionización.
W. Hunziker, C. Van Winter y G. M. Zhislin
Además dentro de la mecánica cuántica puede demostrarse que pueden existir iones positivos (cationes, con carga positiva comparable al núcleo atómico), mientras que no es igual de fácil tener iones negativos (aniones), el siguiente resultado matemático implica tiene que ver con la posibilidad de cationes y aniones:[24]
Teorema
Para, el hamiltoniano tiene un número infinito de autovalores (energías permitidas) por debajo del umbral de ionización, además losestados ligados, con energías satisfacen la cota exponencial
↑Ocampo, Dapueto, Piovano (2009). «1». En Universidad Nacional del Litoral, ed.Química General. Santa Fé, Argentina: Ediciones UNL. p. 9.ISBN978-987-508-965-5.
↑The Hutchinson unabridged encyclopedia with atlas and weather guide. Oxford, England.OCLC696918830.
↑Harry B. Gray.Chemical Bonds: An Introduction to Atomic and Molecular Structure.1994."Chapter 6: Bonding in Solids".p. 210-211.
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