Molécula

Una molécula es un grupo de dos o más átomos que se mantienen unidos por fuerzas atractivas conocidas como enlaces químicos ; dependiendo del contexto, el término puede o no incluir iones que satisfacen este criterio. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} En física cuántica , química orgánica y bioquímica , se omite la distinción con los iones y a menudo se usa el término molécula cuando se hace referencia a iones poliatómicos .

Una molécula puede ser homonuclear , es decir, consta de átomos de un solo elemento químico , por ejemplo, dos átomos en la molécula de oxígeno (O₂ ₎ ; o puede ser heteronuclear , un compuesto químico formado por más de un elemento, por ejemplo, el agua (dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno; H₂O ₎ . En la teoría cinética de los gases , el término molécula se usa a menudo para cualquier partícula gaseosa , independientemente de su composición. Esto flexibiliza 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 los enlaces de hidrógeno o los enlaces iónicos , generalmente no se consideran moléculas individuales. ^{[ 10 ]}

Desde la antigüedad se han discutido conceptos similares a los de las moléculas, 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 en Línea , la palabra «molécula» deriva del latín « moles » o pequeña unidad de masa. La palabra proviene del francés molécule (1678), del neolatín molecula , diminutivo del latín moles , que significa «masa, barrera». La palabra, que hasta finales del siglo XVIII se usaba solo en latín, se popularizó tras su uso en las discusiones sobre la filosofía natural de René Descartes . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

La definición de molécula ha evolucionado a medida que ha aumentado el conocimiento de su estructura. Las definiciones anteriores eran menos precisas, definiendo las moléculas como las partículas más pequeñas de sustancias químicas puras que aún conservan su composición y propiedades químicas. ^{[ 13 ]} Esta definición suele fallar, ya que muchas sustancias de la experiencia cotidiana, como rocas , sales y metales , están compuestas por grandes redes cristalinas de átomos o iones unidos químicamente , pero no por moléculas discretas.

El concepto moderno de moléculas se remonta a filósofos griegos y precientíficos 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 ( ), tierra ( ), aire ( ) y agua ( )) y "fuerzas" de atracción y repulsión que permiten la interacción entre ellos.

Un quinto elemento, el éter , la quintaesencia incorruptible , era considerado el componente fundamental de los cuerpos celestes. La visión de Leucipo y Empédocles, junto con la del éter, fue aceptada por Aristóteles y se transmitió 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 , que postulaba que la materia está compuesta de cúmulos de partículas y que el cambio químico resulta de la reorganización de dichos cúmulos. Boyle sostenía que los elementos básicos de la materia consistían en partículas de diversos tipos y tamaños, llamadas "corpúsculos", capaces de agruparse. En 1789, William Higgins publicó ideas sobre lo que denominó combinaciones de partículas "últimas", que anticiparon 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 magnitud de la fuerza se dividiría en consecuencia, y de forma similar para las demás 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 semicorrectas, como una molécula de agua lineal, como fórmulas moleculares correctas, como H ₂ O:

En 1917, un estudiante estadounidense de ingeniería química desconocido, llamado Linus Pauling, estaba aprendiendo el método de enlace de Dalton , que era la descripción predominante de los enlaces entre átomos en ese momento. Sin embargo, Pauling no estaba satisfecho con este método y buscó uno nuevo 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 logró calculando la constante de Avogadro mediante tres métodos diferentes, todos ellos relacionados con sistemas en fase líquida. Primero, utilizó una emulsión similar al jabón de gamboge ; segundo, realizó trabajo experimental sobre el movimiento browniano ; y tercero, confirmó la teoría de Einstein sobre la rotación de partículas en fase líquida. ^{[ 17 ]}

En 1927, los físicos Fritz London y Walter Heitler aplicaron la nueva mecánica cuántica para abordar las fuerzas de atracción y repulsión saturables y no dinámicas, es decir, las fuerzas de intercambio, de la molécula de hidrógeno. Su tratamiento de este problema mediante el enlace de valencia, en su artículo conjunto, ^{[ 18 ]} fue un hito, ya que sometió la química a la mecánica cuántica. Su trabajo influyó en Pauling, quien acababa de doctorarse y visitó a Heitler y London en Zúrich con una beca Guggenheim .

Posteriormente, en 1931, basándose en el trabajo de Heitler y London y en las teorías del 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 los ángulos entre enlaces y la rotación alrededor de los mismos. A partir de estos conceptos, Pauling desarrolló la teoría de la hibridación para explicar los enlaces en moléculas como el CH₄ _, en el que cuatro orbitales hibridados sp³ se superponen con el orbital 1s del hidrógeno , dando lugar a 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 , según se aborde la química o la física. La química molecular estudia las leyes que rigen la interacción entre moléculas, lo que da lugar a la formación y ruptura de enlaces químicos, mientras que la física molecular estudia las leyes que rigen su estructura y propiedades. Sin embargo, en la práctica, esta distinción es imprecisa. En ciencias moleculares, una molécula consiste en un sistema estable ( estado ligado ) compuesto por dos o más átomos. Los iones poliatómicos pueden considerarse, en ocasiones, moléculas con carga eléctrica. El término molécula inestable se utiliza para especies muy reactivas , es decir, conjuntos efímeros ( 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 .

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

Sin embargo, la mayoría de las sustancias sólidas que conocemos en la Tierra están compuestas parcial o totalmente de cristales o compuestos iónicos, que no están formados por moléculas. Esto incluye todos los minerales que componen la Tierra, la arena, la arcilla, los guijarros, las rocas, los cantos rodados, el lecho rocoso , el interior fundido y el núcleo terrestre . Todas ellas contienen numerosos enlaces químicos, pero no están formadas por moléculas identificables.

No se puede definir una molécula típica para las sales ni para los cristales covalentes , aunque estos suelen estar compuestos por celdas unitarias repetitivas que se extienden en un plano , como el grafeno , o tridimensionalmente, como el diamante , el cuarzo y el cloruro de sodio . El tema de la estructura celular unitaria repetitiva también se aplica a la mayoría de los metales, que son fases condensadas con enlaces metálicos . Por lo 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 por enlaces químicos sin la presencia de ninguna molécula definible, ni la regularidad de la estructura celular unitaria repetitiva que caracteriza a las sales, los cristales covalentes y los metales.

Las moléculas generalmente se mantienen unidas mediante enlaces covalentes . Varios elementos no metálicos existen únicamente 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 mantenida unida por enlaces metálicos , ^{[ 20 ]} otros señalan que los metales se comportan de manera muy diferente a las moléculas. ^{[ 21 ]}

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

Iónico

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 de metal y el anión es un átomo de no metal , pero estos iones pueden ser de naturaleza más compleja, por ejemplo, iones moleculares como NH₄⁺ ^o _SO₄²⁻ . _{A temperaturas y presiones normales,} ^el enlace iónico crea principalmente sólidos (o en ocasiones líquidos) sin moléculas separadas identificables, pero la vaporización/sublimación de dichos materiales produce moléculas separadas donde los electrones se transfieren lo suficientemente bien 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 bloques de construcción para la síntesis orgánica tienen una dimensión de unos pocos angstroms (Å) a varias decenas de Å, o alrededor de una milmillonésima de metro. Las moléculas individuales generalmente no se pueden observar con luz (como se mencionó 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 ( _H₂ ), 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.

Las moléculas poseen geometrías de equilibrio fijas —longitudes y ángulos de enlace— alrededor de las cuales oscilan continuamente mediante movimientos vibracionales y rotacionales. Una sustancia pura está compuesta por 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, en particular su reactividad . Los isómeros comparten una fórmula química, pero normalmente presentan propiedades muy diferentes debido a sus distintas estructuras. Los estereoisómeros , un tipo particular de isómero, pueden tener propiedades fisicoquímicas muy similares y, al mismo tiempo, actividades bioquímicas diferentes.

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 cuantizados que pueden analizarse detectando el intercambio de energía de la molécula a través de la absorción o la emisión . ^{[ 31 ]} 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 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, incluyendo 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 lugar al color. La espectroscopia de resonancia nuclear mide el entorno de núcleos específicos en la molécula y puede utilizarse para caracterizar el número de átomos en diferentes posiciones dentro de 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 el ion hidrógeno , H₂⁺ _, y el enlace químico más simple es el enlace de un electrón . El ^H₂⁺ _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 ausencia de repulsión electrón-electrón. Con el desarrollo de las computadoras digitales rápidas, se hicieron posibles soluciones aproximadas para moléculas más complejas, lo que constituye uno de los aspectos principales de la química computacional .

Al tratar de 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 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 unidas que tradicionalmente no se considerarían moléculas, como el dímero de helio , He ₂ , que tiene un estado vibracional ligado ^{[ 32 ]} y está tan débilmente unido que es probable que solo se observe a temperaturas muy bajas.

La estabilidad de una disposición de átomos para ser considerada una molécula es, por definición, puramente operativa. Filosóficamente, por lo tanto, una molécula no es una entidad fundamental (a diferencia, por ejemplo, de una partícula elemental ); más bien, el concepto de molécula es la forma en que el químico realiza una afirmación útil sobre la intensidad de las interacciones a escala atómica en el mundo que observamos.

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