Geometría molecular
La geometría molecular es la disposición tridimensional de los átomos que constituyen una molécula . Incluye la forma general de la molécula, así como las longitudes de enlace, los ángulos de enlace, los ángulos de torsión y cualquier otro parámetro geométrico que determine la posición de cada átomo.
La geometría molecular influye en varias propiedades de una sustancia, incluida su reactividad , polaridad , fase de la materia , color , magnetismo y actividad biológica . [1] [2] [3] Los ángulos entre los enlaces que forma un átomo dependen sólo débilmente del resto de la molécula, es decir, pueden entenderse como propiedades aproximadamente locales y, por lo tanto, transferibles .
La geometría molecular se puede determinar mediante varios métodos espectroscópicos y métodos de difracción . La espectroscopía de IR , microondas y Raman puede brindar información sobre la geometría de la molécula a partir de los detalles de la absorbancia vibratoria y rotacional detectada por estas técnicas. La cristalografía de rayos X , la difracción de neutrones y la difracción de electrones pueden dar una estructura molecular para sólidos cristalinos en función de la distancia entre los núcleos y la concentración de densidad de electrones. La difracción de electrones de gas se puede utilizar para moléculas pequeñas en la fase gaseosa. RMN y FRETSe pueden utilizar métodos para determinar información complementaria, incluidas distancias relativas, [4] [5] [6] ángulos diédricos, [7] [8] ángulos y conectividad. Las geometrías moleculares se determinan mejor a baja temperatura porque a temperaturas más altas la estructura molecular se promedia sobre geometrías más accesibles (consulte la siguiente sección). Las moléculas más grandes a menudo existen en múltiples geometrías estables ( isomerismo conformacional ) que tienen una energía cercana en la superficie de energía potencial . Las geometrías también se pueden calcular mediante métodos de química cuántica ab initio con gran precisión. La geometría molecular puede ser diferente como sólido, en solución y como gas.
La posición de cada átomo está determinada por la naturaleza de los enlaces químicos por los que está conectado a sus átomos vecinos. La geometría molecular se puede describir por las posiciones de estos átomos en el espacio, evocando longitudes de enlace de dos átomos unidos, ángulos de enlace de tres átomos conectados y ángulos de torsión ( ángulos diédricos ) de tres enlaces consecutivos .
Dado que los movimientos de los átomos en una molécula están determinados por la mecánica cuántica, el "movimiento" debe definirse de manera mecánica cuántica. La traslación y la rotación de los movimientos mecánicos cuánticos generales (externos) apenas cambian la geometría de la molécula. (Hasta cierto punto, la rotación influye en la geometría a través de las fuerzas de Coriolis y la distorsión centrífuga , pero esto es insignificante para la presente discusión). Además de la traslación y la rotación, un tercer tipo de movimiento es la vibración molecular , que corresponde a los movimientos internos de los átomos tales como como estiramiento de enlace y variación del ángulo de enlace. Las vibraciones moleculares son armónicas.(al menos con una buena aproximación), y los átomos oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio, incluso en el cero absoluto de temperatura. En el cero absoluto, todos los átomos están en su estado fundamental vibratorio y muestran un movimiento mecánico cuántico de punto cero , de modo que la función de onda de un solo modo vibratorio no es un pico pronunciado, sino una exponencial de ancho finito (la función de onda para n = 0 representada en la artículo sobre el oscilador armónico cuántico ). A temperaturas más altas, los modos de vibración pueden excitarse térmicamente (en una interpretación clásica, esto se expresa afirmando que "las moléculas vibrarán más rápido"), pero todavía oscilan alrededor de la geometría reconocible de la molécula.
Para tener una idea de la probabilidad de que la vibración de la molécula pueda excitarse térmicamente, inspeccionamos el factor de Boltzmann β ≡ exp(− Δ E / kT ) , donde Δ E es la energía de excitación del modo vibracional, k la constante de Boltzmann y T la temperatura absoluta. A 298 K (25 °C), los valores típicos del factor β de Boltzmann son:
