Molécula

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Una molécula es un grupo de dos o más átomos unidos por fuerzas de atracción conocidas como enlaces químicos ; dependiendo del contexto, el término puede incluir o no iones que satisfacen este criterio. ^{[4] [5] [6] [7] [8]} En física cuántica , química orgánica y bioquímica , se descarta la distinción entre iones y a menudo se utiliza molécula para referirse a iones poliatómicos .

Una molécula puede ser homonuclear , es decir, que consta de átomos de un elemento químico , p. ej., dos átomos en la molécula de oxígeno (O ₂ ); o puede ser heteronuclear , un compuesto químico compuesto por más de un elemento, p. ej., agua (dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno; H ₂ O). En la teoría cinética de los gases , el término molécula se utiliza a menudo 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. ^[9] Los átomos y complejos conectados por interacciones no covalentes , como enlaces de hidrógeno o enlaces iónicos , normalmente no se consideran moléculas individuales. ^[10]

Los conceptos similares a las moléculas se han discutido desde la antigüedad, pero la investigación moderna sobre la naturaleza de las moléculas y sus enlaces comenzó en el siglo XVII. Perfeccionado con el tiempo por científicos como Robert Boyle , Amedeo Avogadro , Jean Perrin y Linus Pauling , el estudio de las moléculas se conoce hoy como física molecular o química molecular.

Según Merriam-Webster y el Diccionario Etimológico Online , la palabra «molécula» deriva del latín « moles » o pequeña unidad de masa. La palabra se deriva del francés molécule (1678), del neolatín molecula , diminutivo del latín moles «masa, barrera». La palabra, que hasta finales del siglo XVIII se utilizaba solo en forma latina, se hizo popular después de ser utilizada en obras de filosofía por Descartes . ^{[11] [12]}

La definición de 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. ^[13] Esta definición a menudo falla, ya que muchas sustancias en la experiencia ordinaria, como las rocas , las sales y los metales , están compuestas de grandes redes cristalinas de átomos o iones unidos químicamente , pero no están hechas de moléculas discretas.

El concepto moderno de moléculas se remonta a filósofos precientíficos y griegos como Leucipo y Demócrito , quienes argumentaron que todo el universo está compuesto de átomos y vacíos . Hacia el año 450 a. C., Empédocles imaginó elementos fundamentales ( fuego ,), tierra (), aire () y agua ()) y "fuerzas" de atracción y repulsión que permiten que los elementos interactúen.

Un quinto elemento, el éter , la quintaesencia incorruptible , se consideraba el elemento fundamental de los cuerpos celestes. El punto de vista de Leucipo y Empédocles, junto con el éter, fue aceptado por Aristóteles y transmitido a la Europa medieval y renacentista.

De manera más concreta, sin embargo, el concepto de agregados o unidades de átomos enlazados, es decir, "moléculas", tiene su origen en la hipótesis de Robert Boyle de 1661, en su famoso tratado El químico escéptico , de que la materia está compuesta de grupos de partículas y que el cambio químico resulta de la reorganización de los grupos. Boyle sostuvo que los elementos básicos de la materia consistían en varios tipos y tamaños de partículas, llamadas "corpúsculos", que eran capaces de organizarse en grupos. En 1789, William Higgins publicó opiniones sobre lo que llamó combinaciones de partículas "últimas", que prefiguraban el concepto de enlaces de valencia . Si, por ejemplo, según Higgins, la fuerza entre la partícula última de oxígeno y la partícula última de nitrógeno fuera 6, entonces la intensidad de la fuerza se dividiría en consecuencia, y de manera similar para las otras combinaciones de partículas últimas.

Amedeo Avogadro creó la palabra "molécula". ^[14] En su artículo de 1811 "Ensayo sobre la determinación de las masas relativas de las moléculas elementales de los cuerpos", afirma esencialmente, es decir, según la Breve historia de la química de Partington , que: ^[15]

Las partículas más pequeñas de los gases no son necesariamente átomos simples, sino que están formadas por un cierto número de estos átomos unidos por atracción para formar una sola molécula .

En coordinación con estos conceptos, en 1833 el químico francés Marc Antoine Auguste Gaudin presentó una explicación clara de la hipótesis de Avogadro, ^[16] respecto a los pesos atómicos, haciendo uso de "diagramas de volumen", que muestran claramente tanto geometrías moleculares semi-correctas, como una molécula de agua lineal, como fórmulas moleculares correctas, como H ₂ O:

En 1917, un ingeniero químico estadounidense de pregrado desconocido llamado Linus Pauling estaba aprendiendo el método de enlace de gancho y ojo de Dalton , que era la descripción principal de los enlaces entre átomos en ese momento. Pauling, sin embargo, no estaba satisfecho con este método y miró al campo emergente de la física cuántica en busca de un nuevo método. En 1926, el físico francés Jean Perrin recibió el Premio Nobel de Física por demostrar, de manera concluyente, la existencia de moléculas. Lo hizo calculando la constante de Avogadro utilizando tres métodos diferentes, todos ellos relacionados con sistemas en fase líquida. Primero, utilizó una emulsión similar al jabón de gamboge , segundo haciendo trabajo experimental sobre el movimiento browniano y tercero confirmando la teoría de Einstein sobre la rotación de partículas en la fase líquida. ^[17]

En 1927, los físicos Fritz London y Walter Heitler aplicaron la nueva mecánica cuántica al estudio de las fuerzas saturables y no dinámicas de atracción y repulsión, es decir, las fuerzas de intercambio, de la molécula de hidrógeno. Su tratamiento del problema mediante el enlace de valencia, en su artículo conjunto, ^[18] fue un hito, ya que abarcó la química bajo la mecánica cuántica. Su trabajo influyó en Pauling, que acababa de recibir su doctorado y visitó Heitler y London en Zúrich con una beca Guggenheim .

Posteriormente, en 1931, basándose en el trabajo de Heitler y London y en las teorías encontradas en el famoso artículo de Lewis, Pauling publicó su innovador artículo "La naturaleza del enlace químico" ^[19] en el que utilizó la mecánica cuántica para calcular las propiedades y estructuras de las moléculas, como los ángulos entre enlaces y la rotación sobre enlaces. Sobre estos conceptos, Pauling desarrolló la teoría de la hibridación para explicar los enlaces en moléculas como CH ₄ , en la que cuatro orbitales hibridados sp³ se superponen con el orbital 1s del hidrógeno , produciendo cuatro enlaces sigma (σ) . Los cuatro enlaces tienen la misma longitud y fuerza, lo que produce una estructura molecular como la que se muestra a continuación:

La ciencia de las moléculas se denomina química molecular o física molecular , dependiendo de si el enfoque está en la química o la 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 las ciencias moleculares, una molécula consiste en un sistema estable ( estado ligado ) compuesto por dos o más átomos. A veces se puede pensar útilmente que los iones poliatómicos son moléculas cargadas eléctricamente. El término molécula inestable se 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 .

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Las moléculas como componentes de la materia son comunes. También forman 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, las proteínas, los aminoácidos que las componen, los ácidos nucleicos (ADN y ARN), los azúcares, los carbohidratos, las grasas y las vitaminas. Los minerales nutrientes son generalmente compuestos iónicos, por lo que no son moléculas, por ejemplo, el sulfato de hierro.

Sin embargo, la mayoría de las sustancias sólidas conocidas en la Tierra están hechas parcial o totalmente de cristales o compuestos iónicos, que no están hechos de moléculas. Estos incluyen todos los minerales que componen la sustancia de la Tierra, arena, arcilla, guijarros, rocas, cantos rodados, lecho de roca , el interior fundido y el núcleo de la Tierra . Todos ellos 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 están compuestos de celdas unitarias repetidas que se extienden en un plano , p. ej., el grafeno ; o tridimensionalmente, p. ej., el diamante , el cuarzo , el cloruro de sodio . El tema de la estructura unitaria celular repetida también se aplica a 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 presencia de ninguna molécula definible, ni de ninguna de las regularidades de la estructura unitaria celular repetida que caracteriza a las sales, los cristales covalentes y los metales.

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

Aunque algunas personas dicen que un cristal metálico puede considerarse una única molécula gigante unida por enlaces metálicos , ^[20] otros señalan que los metales se comportan de manera muy diferente a las moléculas. ^[21]

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 de enlace , y el equilibrio estable de fuerzas atractivas y repulsivas entre átomos, cuando comparten electrones, se denomina enlace covalente . ^[22]

El enlace iónico es un tipo de enlace químico que implica la atracción electrostática entre iones con carga opuesta, y es la interacción primaria que ocurre 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 ). ^[23] Esta transferencia de electrones se denomina electrovalencia en contraste con la covalencia . En el caso más simple, el catión es un átomo de metal y el anión es un átomo de no metal , pero estos iones pueden ser de naturaleza más complicada, por ejemplo, iones moleculares como NH ₄ ⁺ o SO ₄ ²⁻ . A temperaturas y presiones normales, el enlace iónico crea 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 suficientemente completamente como para que los enlaces se consideren iónicos en lugar de covalentes.

La mayoría de las moléculas son demasiado pequeñas para ser vistas a simple vista, aunque las moléculas de muchos polímeros pueden alcanzar tamaños macroscópicos , incluidos los biopolímeros como el ADN . Las moléculas que se utilizan habitualmente 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. Las moléculas individuales normalmente no se pueden observar con luz (como se señaló anteriormente), pero las moléculas pequeñas e incluso los contornos de 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. ^[24]

El radio molecular efectivo es el tamaño que muestra una molécula en solución. ^{[25] [26]} La tabla de permeabilidad selectiva para diferentes sustancias contiene ejemplos.

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 puede incluir subíndices y superíndices.

La fórmula empírica de un compuesto es un tipo muy simple de fórmula química. ^[27] Es la proporción entera más simple de los elementos químicos que lo constituyen. ^[28] Por ejemplo, el agua siempre está compuesta por una proporción de 2:1 de átomos de hidrógeno y oxígeno, y el etanol (alcohol etílico) siempre está compuesto de carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de 2:6:1. Sin embargo, esto no determina el tipo de molécula de forma única: el dimetiléter tiene las mismas proporciones que el etanol, por ejemplo. Las moléculas con los mismos átomos en diferentes disposiciones se denominan 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 diferentes números totales de átomos en la molécula.

La fórmula molecular refleja el número exacto de átomos que componen la molécula y, por lo tanto, caracteriza a las diferentes moléculas. Sin embargo, diferentes isómeros pueden tener la misma composición atómica y, al mismo tiempo, ser 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 , equivalentes a 1/12 de la masa de un átomo de carbono-12 neutro ( isótopo ¹² C ). Para los sólidos reticulares , el término unidad de fórmula se utiliza en los cálculos estequiométricos .

En el caso de moléculas con una estructura tridimensional complicada, especialmente aquellas que involucran 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, puede ser necesario un tipo gráfico de fórmula 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.

Las moléculas tienen geometrías de equilibrio fijas (longitudes y ángulos de enlace) alrededor de las cuales oscilan continuamente a través de movimientos vibratorios y rotacionales. 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 diferentes actividades bioquímicas .

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 relación 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 . ^[31] La espectroscopia no se refiere generalmente 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 mide comúnmente los cambios en la rotación de las moléculas y puede utilizarse 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 utiliza 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 utilizarse para caracterizar la cantidad de átomos en diferentes posiciones en una molécula.

El estudio de las moléculas mediante 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 molécula más simple es la molécula-ion de hidrógeno , H ₂ ⁺ , y el más simple de todos los enlaces químicos es el enlace de un electrón . H ₂ ⁺ está compuesto por dos protones con carga positiva y un electrón con carga negativa , lo que significa que la ecuación de Schrödinger para el sistema se puede resolver más fácilmente debido a la falta de repulsión electrón-electrón. Con el desarrollo de computadoras digitales rápidas, las soluciones aproximadas para moléculas más complicadas se hicieron posibles y son uno de los principales aspectos de la química computacional .

Al intentar definir rigurosamente si una disposición de átomos es suficientemente estable como 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 vibracional". ^[4] 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 débilmente ligadas que tradicionalmente no se considerarían moléculas, como el dímero de helio , He ₂ , que tiene un estado ligado vibracional ^[32] y está tan débilmente ligado que es probable que solo se observe a temperaturas muy bajas.

El hecho de que una disposición de átomos sea lo suficientemente estable como para ser considerada una molécula es inherentemente una definición operacional. Por lo tanto, desde el punto de vista filosófico, una molécula no es una entidad fundamental (en contraste, por ejemplo, con una partícula elemental ); más bien, el concepto de molécula es la manera que tiene el químico de hacer una afirmación útil sobre la fuerza de las interacciones a escala atómica en el mundo que observamos.

• Molécula del mes – Facultad de Química, Universidad de Bristol