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Imagen de microscopía de fuerza atómica (AFM) de una molécula de PTCDA , en la que son visibles los cinco anillos de seis carbonos. [1]
Una imagen de microscopía de túnel de barrido de moléculas de pentaceno , que consisten en cadenas lineales de cinco anillos de carbono. [2]
Imagen AFM de 1,5,9-trioxo-13-azatriangulene y su estructura química. [3]

Una molécula es un grupo eléctricamente neutro de dos o más átomos unidos por enlaces químicos . [4] [5] [6] [7] [8] Las moléculas se distinguen de los iones por su falta de carga eléctrica .

En física cuántica , química orgánica y bioquímica , la distinción de los iones se elimina y la molécula se usa a menudo cuando se hace referencia a iones poliatómicos .

En la teoría cinética de los gases , el término molécula se usa a menudo para cualquier partícula gaseosa independientemente de su composición. Esto viola la definición de que una molécula contiene dos o más átomos, ya que los gases nobles son átomos individuales. [9]

Una molécula puede ser homonuclear , es decir, consta de átomos de un elemento químico , como ocurre con dos átomos en la molécula de oxígeno (O 2 ); o puede ser heteronuclear , un compuesto químico compuesto por más de un elemento, como el agua (dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno; H 2 O).

Los átomos y complejos conectados por interacciones no covalentes , como los enlaces de hidrógeno o los enlaces iónicos , normalmente no se consideran moléculas individuales. [10]

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, proteínas, los aminoácidos de los que están hechas, los ácidos nucleicos (ADN y ARN), azúcares, carbohidratos, grasas y vitaminas. Los minerales nutrientes normalmente no son moléculas, por ejemplo, sulfato de hierro.

Sin embargo, la mayoría de las sustancias sólidas familiares en la Tierra no están formadas por moléculas. Estos incluyen todos los minerales que componen la sustancia de la Tierra, suelo, tierra, arena, arcilla, guijarros, rocas, cantos rodados, lecho rocoso , el interior fundido y el núcleo de la Tierra . Todos estos contienen muchos enlaces químicos, pero no están hechos de moléculas identificables.

No se puede definir una molécula típica para sales ni para cristales covalentes , aunque estos a menudo se componen de células unitarias repetidas que se extienden en un plano , por ejemplo, grafeno ; o tridimensionalmente, por ejemplo , diamante , cuarzo , cloruro de sodio . El tema de la estructura celular unitaria repetida también se aplica a la mayoría de los metales que son fases condensadas con enlaces metálicos . Por 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 ninguna de la regularidad de la estructura celular unitaria repetida que caracteriza a las sales, cristales covalentes y rieles.

Ciencia molecular

La ciencia de las moléculas se llama química molecular o física molecular , dependiendo de si se centra en la química o la física. La química molecular se ocupa de las leyes que gobiernan la interacción entre moléculas que resulta en la formación y ruptura de enlaces químicos , mientras que la física molecular se ocupa de las leyes que gobiernan 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 . Los iones poliatómicos a veces se pueden considerar útiles como moléculas cargadas eléctricamente. El término molécula inestable se utiliza para muyespecies reactivas , es decir, conjuntos 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

Artículo principal: Historia de la teoría molecular.

Según Merriam-Webster y el Diccionario de Etimología en línea , la palabra "molécula" deriva del latín " moles " o pequeña unidad de masa.

  • Molécula (1794) - "partícula extremadamente diminuta", del francés molécule (1678), del nuevo latín molecula , diminutivo del latín moles "masa, barrera". Un significado vago al principio; la moda de la palabra (usada hasta finales del siglo XVIII sólo en forma latina) se remonta a la filosofía de Descartes . [11] [12]

La definición de molécula ha evolucionado a medida que aumenta 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 se rompe ya que muchas sustancias en la experiencia ordinaria, como rocas , sales y metales , están compuestas por grandes redes cristalinas de átomos o iones químicamente enlazados , pero no están compuestas por 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 medio ambiente. Por ejemplo, el hidrógeno solo existe como molécula de hidrógeno. Una molécula de un compuesto está formada por dos o más elementos. [14] Una molécula homonuclear está formada por dos o más átomos de un solo elemento.

Mientras que algunas personas dicen que un cristal metálico puede considerarse una sola molécula gigante unida por enlaces metálicos , [15] otros señalan que los metales actúan de manera muy diferente a las moléculas. [dieciséis]

Covalente

Un enlace covalente que forma H 2 (derecha) donde dos átomos de hidrógeno comparten los dos electrones
Artículo principal: enlace 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 átomos, cuando comparten electrones, se denomina enlace covalente . [17]

Iónico

Artículo principal: Unión iónica
El sodio y el flúor experimentan una reacción redox para formar fluoruro de sodio . El sodio pierde su electrón externo para darle una configuración electrónica estable , y este electrón entra en el átomo de flúor exotérmicamente .

El enlace iónico es un tipo de enlace químico que implica la atracción electrostática entre iones con carga opuesta y es la interacción principal que se produce 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 ). [18] 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 no metal.átomo, 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, la unión iónica crea principalmente sólidos (u ocasionalmente líquidos) sin moléculas identificables separadas, pero la vaporización / sublimación de tales materiales produce pequeñas moléculas separadas donde los electrones aún se transfieren lo suficiente como para que los enlaces se consideren iónicos en lugar de covalentes. .

Tamaño molecular

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 docenas de Å, o alrededor de una mil millonésima parte de un metro. Por lo general, las moléculas individuales no se pueden observar con la luz (como se señaló anteriormente), pero las moléculas pequeñas e incluso los contornos de los átomos individuales pueden trazarse 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. [19]

El radio molecular efectivo es el tamaño que muestra una molécula en solución. [20] [21] La tabla de permselectividad para diferentes sustancias contiene ejemplos.

Fórmulas moleculares

Tipos de fórmulas químicas

Artículo principal: fórmula química

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 de símbolos tipográficos, que pueden incluir subíndices y superíndices.

La fórmula empírica de un compuesto es un tipo muy simple de fórmula química. [22] Es la relación entera más simple de los elementos químicos que la constituyen. [23] Por ejemplo, el agua siempre se compone de una proporción de 2: 1 de hidrógeno a átomos de 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. Moléculas con los mismos átomos.en diferentes arreglos 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 ser moléculas diferentes.

La fórmula empírica suele ser la misma que la fórmula molecular, pero no siempre. Por ejemplo, la molécula 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 iguales a 1/12 de la masa de un átomo de carbono 12 neutro ( isótopo 12 C ). Para los sólidos de la red , el término unidad de fórmula se usa en cálculos estequiométricos .

Fórmula estructural

Representaciones 3D (izquierda y centro) y 2D (derecha) de la molécula terpenoide atisana
Artículo principal: fórmula estructural

Para moléculas con una estructura tridimensional complicada, especialmente en las que participan 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 gráfico de fórmula llamada fórmula estructural . Las fórmulas estructurales pueden, a su vez, representarse con un nombre químico unidimensional, pero tal nomenclatura química requiere muchas palabras y términos que no forman parte de las fórmulas químicas.

Geometría molecular

Artículo principal: geometría molecular
Estructura e imagen STM de una molécula dendrímero "cianoestrella" . [24]

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 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 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 diferentes actividades bioquímicas .

Espectroscopía molecular

Artículo principal: espectroscopia
El hidrógeno se puede eliminar de las moléculas individuales de H 2 TPP aplicando un exceso de voltaje a la punta de un microscopio de efecto túnel (STM, a); esta eliminación altera las curvas de corriente-voltaje (IV) de las moléculas de TPP, medidas usando la misma punta STM, de tipo diodo (curva roja en b) a tipo resistor (curva verde). La imagen (c) muestra una fila de moléculas de TPP, H 2 TPP y TPP. Mientras se escaneaba la imagen (d), se aplicó un exceso de voltaje a H 2 TPP en el punto negro, que eliminó instantáneamente el hidrógeno, como se muestra en la parte inferior de (d) y en la imagen de nuevo escaneo (e). Tales manipulaciones se pueden utilizar en electrónica de una sola molécula . [25]

La espectroscopia molecular se ocupa de la respuesta ( espectro ) de moléculas que interactúan con señales de sondeo 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 . [26] 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 suele medir los cambios en la rotación de las moléculas y se puede utilizar para identificar moléculas en el espacio exterior. La espectroscopía infrarroja mide 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 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 el número de átomos en diferentes posiciones en una molécula.

Aspectos teóricos

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 más simple de las moléculas es el ion molécula 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 cargados positivamente y un electrón cargado negativamente , lo que significa que la ecuación de Schrödingerporque el sistema se puede resolver más fácilmente debido a la falta de repulsión electrón-electrón. Con el desarrollo de las computadoras digitales rápidas, las soluciones aproximadas para moléculas más complicadas se hicieron posibles y son uno de los aspectos principales de la química computacional .

Al tratar de definir rigurosamente si una disposición de átomos es lo 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 solo de la fuerza de la interacción. De hecho, incluye especies ligadas débilmente que tradicionalmente no se considerarían moléculas, como el dímero de helio , He 2 , que tiene un estado ligado vibracional [27]. y está tan débilmente unido que sólo es probable que se observe a temperaturas muy bajas.

Si una disposición de átomos es suficientemente estable para ser considerada una molécula es inherentemente una definición operativa. Filosóficamente, por lo tanto, una molécula no es una entidad fundamental (en contraste, por ejemplo, con una partícula elemental ); más bien, el concepto de molécula es la forma que tiene el químico de hacer una declaración útil sobre la fuerza de las interacciones a escala atómica en el mundo que observamos.

Ver también

  • Átomo
  • Polaridad química
  • Enlace covalente
  • Molécula diatómica
  • Lista de compuestos
  • Lista de moléculas interestelares y circunestelares
  • Biología Molecular
  • Software de diseño molecular
  • Ingeniería molecular
  • Geometría molecular
  • Hamiltoniano molecular
  • Ion molecular
  • Modelado molecular
  • Promiscuidad molecular
  • Orbital molecular
  • Enlace no covalente
  • Sistemas periódicos de moléculas pequeñas.
  • Molécula pequeña
  • Comparación de software para modelado de mecánica molecular
  • Molécula de Van der Waals
  • Matriz molecular mundial

Referencias

  1. ^ Iwata, Kota; Yamazaki, Shiro; Mutombo, Pingo; Hapala, Prokop; Ondráček, Martin; Jelínek, Pavel; Sugimoto, Yoshiaki (2015). "Imagen de estructura química de una sola molécula por microscopía de fuerza atómica a temperatura ambiente" . Comunicaciones de la naturaleza . 6 : 7766. Código Bibliográfico : 2015NatCo ... 6.7766I . doi : 10.1038 / ncomms8766 . PMC  4518281 . PMID  26178193 .
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enlaces externos

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