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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 satisfagan este criterio. [4] [5] [6] [7] [8] En física cuántica , química orgánica y bioquímica , la distinción de iones se elimina y molécula se usa a menudo cuando se hace referencia a iones poliatómicos .
Una molécula puede ser homonuclear , es decir, estar formada por 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). 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. [9] Los átomos y complejos conectados por interacciones no covalentes , como enlaces de hidrógeno o enlaces iónicos , normalmente no se consideran moléculas individuales. [10]
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. Refinado 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 de Etimología en línea , la palabra "molécula" deriva del latín " moles " o pequeña unidad de masa. La palabra deriva del francés molécule (1678), del neolatino molecula , diminutivo del latín moles "masa, barrera". La palabra, que hasta finales del siglo XVIII se utilizaba únicamente en forma latina, se hizo popular tras ser utilizada en obras de filosofía de 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 a 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 rocas , sales y 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 sostenían que todo el universo está compuesto de átomos y vacíos . Alrededor del año 450 a. C., Empédocles imaginó elementos fundamentales ( fuego (.svg/1280px-Alchemical_fire_symbol_(fixed_width).svg.png){kind=small}
), tierra (.svg/1280px-Alchemical_earth_symbol_(fixed_width).svg.png){kind=small}
), aire (.svg/1280px-Alchemical_air_symbol_(fixed_width).svg.png){kind=small}
), y agua (.svg/1280px-Alchemical_water_symbol_(fixed_width).svg.png){kind=small}
)) y "fuerzas" de atracción y repulsión que permiten a los elementos interactuar.
Un quinto elemento, la quintaesencia incorruptible del éter , se consideraba el componente fundamental de los cuerpos celestes. El punto de vista de Leucipo y Empédocles, junto con el éter, fue aceptado por Aristóteles y pasó a la Europa medieval y renacentista.
De manera más concreta, sin embargo, el concepto de agregados o unidades de átomos unidos, es decir, "moléculas", tiene sus orígenes 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 ese cambio químico resulta del reordenamiento de los grupos. Boyle argumentó que los elementos básicos de la materia consistían en diversos 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 presagiaban 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", esencialmente afirma, es decir, según A Short History of Chemistry de Partington , que: [15]
Las partículas más pequeñas de los gases no son necesariamente átomos simples, sino que están formadas por un número determinado 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] relativa a los pesos atómicos, haciendo uso de "diagramas de volumen", que muestran claramente tanto geometrías moleculares semicorrectas, como como molécula de agua lineal y fórmulas moleculares correctas, como H 2 O:
En 1917, un desconocido ingeniero químico estadounidense 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 quedó satisfecho con este método y buscó un nuevo método en el campo emergente de la física cuántica. En 1926, el físico francés Jean Perrin recibió el Premio Nobel de Física por demostrar de manera concluyente la existencia de las moléculas. Lo hizo calculando la constante de Avogadro utilizando tres métodos diferentes, todos ellos relacionados con sistemas en fase líquida. En primer lugar, utilizó una emulsión similar a un jabón de gamboge , en segundo lugar realizó un trabajo experimental sobre el movimiento browniano y en tercer lugar confirmó 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 tratamiento de las fuerzas no dinámicas y saturables de atracción y repulsión, es decir, las fuerzas de intercambio, de la molécula de hidrógeno. Su tratamiento del enlace de valencia de este problema, en su artículo conjunto, [18] fue un hito al poner a la química bajo la influencia de la mecánica cuántica. Su trabajo influyó en Pauling, que acababa de doctorarse y visitó Heitler y Londres 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 propiedades. y estructuras de moléculas, como ángulos entre enlaces y rotación alrededor de enlaces. Sobre estos conceptos, Pauling desarrolló la teoría de la hibridación para explicar los enlaces en moléculas como el CH 4 , en los 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 se muestra a continuación:
La ciencia de las moléculas se llama química molecular o física molecular , dependiendo de si el enfoque es la química o la física. La química molecular se ocupa de las leyes que gobiernan la interacción entre moléculas que resultan en la formación y rotura de enlaces químicos, mientras que la física molecular se ocupa de las leyes que gobiernan su estructura y propiedades. Sin embargo, en la práctica 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 puede resultar útil considerar los iones poliatómicos como moléculas cargadas eléctricamente. El término molécula inestable se utiliza para especies muy reactivas , es decir, conjuntos ( resonancias ) de electrones y núcleos de vida corta , como radicales , iones moleculares , moléculas de Rydberg , estados de transición , complejos de van der Waals o sistemas de átomos en colisión como en Condensado de Bose-Einstein .
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, 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, como por ejemplo el sulfato de hierro.
Sin embargo, la mayoría de las sustancias sólidas conocidas en la Tierra están formadas total o parcialmente 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, lecho de roca , el interior fundido y el núcleo de la Tierra . Todos ellos contienen muchos enlaces químicos, pero no están formados por moléculas identificables.
No se puede definir ninguna molécula típica para las sales ni para los cristales covalentes , aunque éstos suelen estar compuestos por células unitarias repetidas 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 tanto, los metales sólidos no están formados por moléculas. En los vidrios , que son sólidos que existen en un estado vítreo desordenado, los átomos se mantienen unidos mediante enlaces químicos sin presencia de ninguna molécula definible, ni de la regularidad de estructura celular unitaria repetitiva que caracteriza a las sales, cristales covalentes y rieles.
Las moléculas generalmente se mantienen unidas mediante enlaces covalentes . Varios elementos no metálicos existen sólo 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 única molécula gigante unida por un enlace metálico , [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 compartir pares de electrones entre átomos. Estos pares de electrones se denominan pares compartidos o pares de enlace , y el equilibrio estable de fuerzas de atracción y repulsión 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 cargas opuestas y es la interacción principal 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 metálico y el anión es un átomo no metálico , pero estos iones pueden ser de una naturaleza más complicada, por ejemplo, iones moleculares como NH 4 + o SO 4 2- . A temperaturas y presiones normales, los enlaces iónicos crean principalmente sólidos (u ocasionalmente líquidos) sin moléculas identificables separadas, pero la vaporización/sublimación de dichos materiales produce moléculas separadas donde los electrones todavía se transfieren lo suficiente 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 comúnmente utilizadas como componentes básicos 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 pueden observarse con luz (como se señaló anteriormente), pero en algunas circunstancias se pueden rastrear moléculas pequeñas e incluso los contornos de átomos individuales 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 permselectividad 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 pueden incluir subíndices y superíndices.
La fórmula empírica de un compuesto es un tipo muy simple de fórmula química. [27] Es la relación entera más simple de los elementos químicos que la constituyen. [28] Por ejemplo, el agua siempre está compuesta de una proporción de 2:1 de átomos de hidrógeno a 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 de forma única el tipo de molécula: el dimetiléter tiene las mismas proporciones que el etanol, por ejemplo. Las moléculas que tienen los mismos átomos en diferente disposición 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, por lo tanto, caracteriza a 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 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 de 12 C ). Para los sólidos de la red , el término unidad fórmula se utiliza en los cálculos estequiométricos .
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.
Las moléculas tienen geometrías de equilibrio fijas (longitudes y ángulos de enlace) alrededor de las cuales oscilan continuamente mediante 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 físico-químicas muy similares y al mismo tiempo actividades bioquímicas diferentes .
La espectroscopia molecular se ocupa de la respuesta ( espectro ) de moléculas que interactúan con señales de sondeo de energía (o frecuencia) conocida , según la relación de Planck . Las moléculas tienen niveles de energía cuantificados que pueden analizarse detectando el intercambio de energía de la molécula mediante absorbancia o emisión . [31] La espectroscopia generalmente no se refiere a estudios de difracción en los que 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 cambios en la rotación de 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 utiliza comúnmente para identificar los tipos de enlaces o grupos funcionales en 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 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 fundamental para la comprensión del enlace químico. La molécula más simple es el ion-molécula de hidrógeno , H2 + , 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 se puede resolver 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 intentar definir rigurosamente si una disposición de átomos es 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". [4] Esta definición no depende de la naturaleza de la interacción entre los átomos, sino sólo 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 de unión vibratorio [32] y está tan débilmente unido que sólo es probable que se observe a niveles muy bajos. temperaturas.
Si una disposición de átomos es lo suficientemente estable o no para ser considerada una molécula es inherentemente una definición operativa. Por lo tanto, filosóficamente una molécula no es una entidad fundamental (a diferencia, por ejemplo, de una partícula elemental ); más bien, el concepto de molécula es la manera que tienen los químicos de hacer una afirmación útil sobre las fuerzas de las interacciones a escala atómica en el mundo que observamos.
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