Molécula
Definición
Una molécula es un grupo eléctricamente neutro de dos o más átomos unidos por enlaces químicos. Las moléculas se distinguen de iones por su falta de carga eléctrica. Sin embargo, en la física cuántica, la química orgánica y la bioquímica, el término molécula a menudo se usa de forma menos estricta, y se aplica también a los iones poliatómicos.
En la teoría cinética de los gases, el término molécula se usa a menudo para cualquier partícula gaseosa, independientemente de su composición. Según esta definición, los átomos de gas noble se consideran moléculas ya que son moléculas monatómicas.
Una molécula puede ser homonuclear, es decir, consta de átomos de un elemento químico, como ocurre con el oxígeno (O 2 ); o puede ser heteronuclear, un compuesto químico compuesto por más de un elemento, como con agua (H 2 O). Los átomos y complejos conectados por interacciones no covalentes, como enlaces de hidrógeno o enlaces iónicos, generalmente no se consideran moléculas individuales.
Las moléculas como componentes de la materia son comunes en las sustancias orgánicas (y por lo tanto bioquímica). También constituyen la mayoría de los océanos y la atmósfera. Sin embargo, la mayoría de las sustancias sólidas familiares en la Tierra, incluyendo la mayoría de los minerales que componen la corteza, el manto y el núcleo de la Tierra, contienen muchos enlaces químicos, pero no son hecho de moléculas identificables. Además, no se puede definir una molécula típica para cristales iónicos (sales) y cristales covalentes (sólidos de red), aunque a menudo se componen de células repetitivas que se extienden en un plano (como el grafeno) o tridimensionalmente (como en diamante, cuarzo o cloruro de sodio). El tema de la repetida unidad de estructura celular también se cumple para la mayoría de las fases condensadas con enlaces metálicos, lo que significa que los metales sólidos tampoco están hechos de moléculas. En los vidrios (sólidos que existen en un estado vítreo desordenado), los átomos también pueden mantenerse unidos por enlaces químicos sin la presencia de ninguna molécula definible, ni la regularidad de las unidades repetitivas que caracterizan a los cristales.
Ciencia molecular
La ciencia de las moléculas se llama química molecular o física molecular , dependiendo de si el foco está en la química o la física. La química molecular trata con las leyes que rigen la interacción entre moléculas que da como resultado la formación y ruptura de enlaces químicos, mientras que la física molecular trata con 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 ser considerados como moléculas cargadas eléctricamente. El término molécula inestable se usa para especies muy reactivas, es decir, ensambles 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 Diccionario de Etimología en línea, la palabra "molécula" deriva del latín "topos" o pequeña unidad de masa.
- Molécula (1794) - "partícula extremadamente diminuta", de la molécula de francés (1678), de Nueva molécula latina , diminutivo de los latones lunares "masa, barrera". Un vago significado al principio; la moda de la palabra (utilizada hasta finales del siglo XVIII solo en forma latina) se puede remontar a la filosofía de Descartes.
La definición de la molécula ha evolucionado a medida que el conocimiento de la estructura de las moléculas ha aumentado. Las definiciones anteriores eran menos precisas, definiendo las moléculas como las partículas más pequeñas de sustancias químicas puras que aún conservan su composición y sus propiedades químicas. Esta definición a menudo se descompone ya que muchas sustancias en la experiencia ordinaria, como rocas, sales y metales, están compuestas de grandes redes cristalinas de átomos o iones químicamente unidos, pero no están hechas de moléculas discretas.
Vinculación
Las moléculas se mantienen juntas mediante enlaces covalentes o enlaces iónicos. Varios tipos de elementos no metálicos existen solo como moléculas en el ambiente. Por ejemplo, el hidrógeno solo existe como molécula de hidrógeno. Una molécula de un compuesto está hecha de dos o más elementos.
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 de enlaces, y el equilibrio estable de fuerzas atractivas y repulsivas entre los átomos, cuando comparten electrones, se denomina enlace covalente .
Iónico
La unión iónica es un tipo de enlace químico que implica la atracción electrostática entre iones con carga opuesta, y es la interacción principal que ocurre en compuestos iónicos. Los iones son átomos que han perdido uno o más electrones (denominados cationes) y átomos que han obtenido 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 metalatom 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 . Básicamente, un enlace iónico es la transferencia de electrones de un metal a un no metal para que ambos átomos obtengan una capa de valencia completa.
Tamaño molecular
La mayoría de las moléculas son demasiado pequeñas para ser vistas a simple vista, pero hay excepciones. El ADN, una macromolécula, puede alcanzar tamaños macroscópicos, al igual que las moléculas de muchos polímeros. Las moléculas utilizadas comúnmente 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. Normalmente, las moléculas individuales no pueden ser observadas por la luz (como se señaló anteriormente), pero las moléculas pequeñas e incluso los contornos de los átomos individuales pueden rastrearse en algunas circunstancias mediante el uso de un microscopio de fuerza atómica. Algunas de las moléculas más grandes son macromoléculas o supermoleculas.
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 permselectivity 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 están limitados 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 lo constituyen. Por ejemplo, el agua siempre se compone de una proporción de 2: 1 de hidrógeno a átomos de oxígeno, y el alcohol etílico o etanol 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 exclusiva: el éter dimetílico tiene las mismas proporciones que el etanol, por ejemplo. Las moléculas con los mismos átomos en diferentes disposiciones 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 diferentes números totales 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 a la vez que son moléculas diferentes.
La fórmula empírica suele ser la misma que la fórmula molecular, pero no siempre. Por ejemplo, la molécula de acetileno tiene fórmula molecular C 2 H 2 , pero la relación de elementos más simple es CH.
La masa molecular puede calcularse 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 involucrando átomos unidos a cuatro sustituyentes diferentes, una fórmula molecular simple o incluso una fórmula química semi-estructural puede no ser suficiente para especificar completamente la molécula. En este caso, puede ser necesario un tipo de fórmula gráfica llamada fórmula estructural. A su vez, las fórmulas estructurales pueden 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) sobre 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.
Espectroscopía molecular
La espectroscopía molecular se ocupa de la respuesta (espectro) de moléculas que interactúan con señales 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 absorbancia o emisión. La espectroscopía 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 espectroscopía de microondas comúnmente mide los cambios en la rotación de las moléculas y puede usarse para identificar moléculas en el espacio exterior. La espectroscopía infrarroja mide los cambios en 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 las disposiciones de los electrones producen líneas de absorción o emisión en luz ultravioleta, visible o casi infrarroja, y dan como resultado el color. La espectroscopía de resonancia nuclear en realidad mide el ambiente 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 principalmente en la mecánica cuántica y es esencial para la comprensión del vínculo químico. La molécula más simple es el ion de la molécula de hidrógeno, H 2 , y el más simple de todos los enlaces químicos es el enlace de un electrón. H 2 está compuesto de dos protones cargados positivamente 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 tratar de definir rigurosamente si una disposición de átomos es suficientemente estable como para considerarse 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 débilmente unidas que tradicionalmente no se considerarían moléculas, como el dímero de helio, He
2 , que tiene un estado ligado a la vibración y está tan débilmente ligado que solo es probable que se observe a temperaturas muy bajas.
2 , que tiene un estado ligado a la vibración y está tan débilmente ligado que solo es probable que se observe a temperaturas muy bajas.
Si una disposición de átomos es o no lo suficientemente estable como para ser considerada una molécula es inherentemente una definición operacional. Filosóficamente, por lo tanto, una molécula no es una entidad fundamental (en contraste, por ejemplo, con una partícula elemental); más bien, el concepto de una molécula es la forma en que el químico hace una declaración útil sobre las fortalezas de las interacciones a escala atómica en el mundo que observamos.