Molécula

Para otros términos similares, véase Molécula (desambiguación).

Representación esquemática de los átomos (bolas negras) y los enlaces moleculares

(barras blancas-grises) de una molécula de C 60, es decir, un compuesto formado por

sesenta átomos de carbono.

En química, una molécula (del nuevo latín molecula, que es un diminutivo de la

palabra moles, 'masa') es un grupoeléctricamente neutro y suficientemente estable de al

menos dos átomos en una configuración definida, unidos por enlaces químicos fuertes

(covalentes o enlace iónico). 1 2 3 4 5 6

En este estricto sentido, las moléculas se diferencian de losiones poliatómicos. En

la química orgánica y la bioquímica, el término "molécula" se utiliza de manera menos

estricta y se aplica también a los compuestos orgánicos (moléculas orgánicas) y en

las biomoléculas.

Antes, se definía la molécula de forma menos general y precisa, como la más pequeña

parte de una sustancia que podía tener existencia independiente y estable conservando

aún sus propiedades fisicoquímicas. De acuerdo con esta definición, podían existir

moléculas monoatómicas. En la teoría cinética de los gases, el término molécula se aplica

a cualquier partícula gaseosa con independencia de su composición. De acuerdo con esta

definición, los átomos de un gas noble se considerarían moléculas aunque se componen

de átomos no enlazados. 7

Una molécula puede consistir en varios átomos de un único elemento químico, como en el

caso del oxígeno diatómico (O2), o de diferentes elementos, como en el caso de

la agua (H2 O). Los átomos y complejos unidos por enlaces no covalentes como

los enlaces de hidrógeno o los enlaces iónicos no se suelen considerar como moléculas

individuales.

Las moléculas como componentes de la materia son comunes en las sustancias

orgánicas (y por tanto en la bioquímica). También conforman la mayor parte de

los océanos y de laatmósfera. Sin embargo, un gran número de sustancias sólidas

familiares, que incluyen la mayor parte de los minerales que componen la corteza,

el manto y el núcleo de la Tierra, contienen muchos enlaces químicos, pero no están

formados por moléculas. Además, ninguna molécula típica puede ser definida en

los cristales iónicos (sales) o en cristales covalentes, aunque estén compuestos

por celdas unitarias que se repiten, ya sea en un plano (como en el grafito) o en tres

dimensiones (como en el diamante o el cloruro de sodio). Este sistema de repetir una

estructura unitaria varias veces también es válida para la mayoría de las fases

condensadas de la materia con enlaces metálicos, lo que significa que los metales sólidos

tampoco están compuestos por moléculas. En el vidrio (sólidos que presentan un estado

vítreo desordenado), los átomos también pueden estar unidos por enlaces químicos sin

que se pueda identificar ningún tipo de molécula, pero tampoco existe la regularidad de la

repetición de unidades que caracteriza a los cristales.

Casi toda la química orgánica y buena parte de la química inorgánica se ocupan de la

síntesis y reactividad de moléculas y compuestos moleculares. La química física y,

especialmente, la química cuántica también estudian, cuantitativamente, en su caso, las

propiedades y reactividad de las moléculas. La bioquímica está íntimamente relacionada

con la biología molecular, ya que ambas estudian a los seres vivos a nivel molecular. El

estudio de las interacciones específicas entre moléculas, incluyendo el reconocimiento

molecular es el campo de estudio de la química supramolecular. Estas fuerzas explican

las propiedades físicas como la solubilidad o el punto de ebullición de un compuesto

molecular.

Las moléculas rara vez se encuentran sin interacción entre ellas, salvo en gases

enrarecidos y en los gases nobles. Así, pueden encontrarse en redes cristalinas, como el

caso de las moléculas de H2O en el hielo o con interacciones intensas pero que cambian

rápidamente de direccionalidad, como en el agua líquida. En orden creciente de

intensidad, las fuerzas intermoleculares más relevantes son: las fuerzas de Van der

Waals y lospuentes de hidrógeno. La dinámica molecular es un método de simulación por

computadora que utiliza estas fuerzas para tratar de explicar las propiedades de las

moléculas.

Índice

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1Definición y sus límites

2Tipos de moléculas

3Descripción

4Moléculas en la teoría cuántica

o 4.1Aproximación de Born-Oppenheimer

5Véase también

6Referencias

o 6.1Bibliografía

o 6.2Enlaces externos

Definición y sus límites[editar]

De manera menos general y precisa, se ha definido molécula como la parte más pequeña

de una sustancia química que conserva sus propiedades químicas, y a partir de la cual se

puede reconstituir la sustancia sin reacciones químicas. De acuerdo con esta definición,

que resulta razonablemente útil para aquellas sustancias puras constituidas por

moléculas, podrían existir las "moléculas monoatómicas" de gases nobles, mientras que

las redes cristalinas, sales, metales y la mayoría de vidrios quedarían en una situación

confusa.

Las moléculas lábiles pueden perder su consistencia en tiempos relativamente cortos,

pero si el tiempo de vida medio es del orden de unas pocas vibraciones moleculares,

estamos ante un estado de transición que no se puede considerar molécula. Actualmente,

es posible el uso de láser pulsado para el estudio de la química de estos sistemas.

Las entidades que comparten la definición de las moléculas pero tienen carga eléctrica se

denominan iones poliatómicos, iones moleculares o moléculas ion. Las sales

compuestas por iones poliatómicos se clasifican habitualmente dentro de los materiales

de base molecular o materiales moleculares.

Las partículas están formadas por moléculas. Una molécula viene a ser la porción de

materia más pequeña que aún conserva las propiedades de la materia original. Las

moléculas se encuentran fuertemente enlazadas con la finalidad de formar materia. Las

moléculas están formadas por átomos unidos por medio de enlaces químicos.

Tipos de moléculas

Las moléculas se pueden clasificar en:

Moléculas discretas, constituidas por un número bien definido de átomos, sean estos

del mismo elemento (moléculas homonucleares, como el dinitrógeno o el fullereno) o

de elementos distintos (moléculas heteronucleares, como el agua).

Molécula de dinitrógeno, el gas que es el componente mayoritario del aire

 

Molécula de fullereno, tercera forma estable delcarbono tras el diamantey el grafito

 

Molécula de agua, "disolvente universal", de importancia fundamental en innumerables

procesos bioquímicos eindustriales

 

Representación poliédrica del anión de Keggin, un polianiónmolecular

Macromoléculas o polímeros, constituidas por la repetición de una unidad

comparativamente simple -o un conjunto limitado de dichas unidades- y que

alcanzanpesos moleculares relativamente altos.

Representación de un fragmento de ADN, un polímero de importancia fundamental en la

genética

 

Enlace peptídico que une los péptidos para formarproteínas

 

Representación de un fragmento lineal depolietileno, el plásticomás usado

 

Primera generación de un dendrímero, un tipo especial de polímero que crece de

forma fractal

Descripción

La estructura molecular puede ser descrita de diferentes formas. La fórmula molecular es

útil para moléculas sencillas, como H2O para el agua o NH3 para el amoníaco. Contiene

lossímbolos de los elementos presentes en la molécula, así como su proporción indicada

por los subíndices.

Para moléculas más complejas, como las que se encuentran comúnmente en química

orgánica, la fórmula química no es suficiente, y vale la pena usar una fórmula estructural o

una fórmula esqueletal, las que indican gráficamente la disposición espacial de los

distintosgrupos funcionales.

Cuando se quieren mostrar variadas propiedades moleculares, o se trata de sistemas muy

complejos como proteínas, ADN o polímeros, se utilizan representaciones especiales,

como los modelos tridimensionales (físicos o representados por ordenador). En proteínas,

por ejemplo, cabe distinguir entre estructura primaria (orden de los aminoácidos),

secundaria (primer plegamiento en hélices, hojas, giros…), terciaria (plegamiento de las

estructuras tipo hélice/hoja/giro para dar glóbulos) y cuaternaria (organización espacial

entre los diferentes glóbulos).

Figura 1. Representaciones de la terpenoide, atisano, 3D (centro izquierda)

y 2D (derecha). En el modelo 3D de la izquierda, los átomos de carbono están

representados por esferas grises; las blancas representan a los átomos de hidrógeno y

los cilindros representan los enlaces. El modelo es una representación de la superficies

molecular, coloreada por áreas de carga eléctrica positiva (rojo) o negativa (azul). En el

modelo 3D del centro, las esferas azul claro representan átomos de carbono, las blancas

de hidrógeno y los cilindros entre los átomos son los enlaces simples.

Moléculas en la teoría cuántica

La mecánica clásica y el electromagnetismo clásico no podían explicar la existencia y

estabilidad de la las moléculas ya que de acuerdo con sus ecuaciones una carga eléctrica

acelerada emitiría radiación por lo que los electrones necesariamente perderían energía

cinética por radiación hasta caer sobre el núcleo atómico. La mecánica cuántica proveyó

el primer modelo culitativamente correcto que además predecía la existencia de átomos

estables y proporcionaba explicación cuantitativa muy aproximada para fenómenos

empíricos como los espectros de emisión característicos de cada elemento químico.

En mecánica cuántica una molécula o un ión poliatómico se describe cmo un sistema

formado por N electrones de masa m y M núcleos de masas mj. En mecánica cuántica las

interacciones físicas de estos elementos se presentan por un hamiltoniano cuántico,

cuyosautovalores serán las energías permitidas del sistema y cuyas autofunciones

describirán losorbitales moleculares de la molécula, y de esos objetos se podrán deducir

las propiedades químicas de la molécula. En lo que sigue se designará mediante e, la

carga de cada electrón, mientras que la de cada núcleo, con Zj protones, será Zje. Para

estudiar este sistema es necesario analizar el siguiente hamiltoniano cuántico:

(1)

definido sobre el espacio de funciones antismetrizadas de cuadrado integrable , las

coordenadas asociadas a las posiciones de los electrones vienen dadas por  y la de los

núcleos atómicos vienen dadas por . Y las interacciones electrostáticas entre electrones y

núcleos vienen dadas por el potencial V(x,y) que se puede escribir como:

(2)

donde el primer término representa la interacción de los electrones entre sí, el segundo la

interacción de los electrones con los núcleos atómicos, y el tercero las interacciones de

los núcleos entre sí. En una molécula neutra se tendrá obviamente que:

Si M = 1 se tendrá un átomo polielectrónico si Z1 > 1, y un átomo hidrogenoide si Z1 = 1.

Aproximación de Born-Oppenheimer[editar]

Resolver el problema de autovalores y autofunciones para el hamiltoniano cuántico dado

por (1) es un problema matemático difícil, por lo que es común simplificarlo de alguna

manera. Así dado que los núcleos atómicos son mucho más pesados que los electrones

(entre 103 y 105 veces más) puede suponerse que los núcleos atómicos apenas se

mueven comparados con los electrones, por lo que se considera que están congelados en

posiciones fijas, con lo cual se puede aproximar el hamiltoniano (1) por la aproximación

de Born-Oppenheimer dada por:

Teorema de Kato

Los operadores  y  sonautoadjuntos y acotados inferiormente.

Tosio Kato

La propiedad de ser autoadjunto implicará que las energías son cantidades reales, y el

que sean acotados inferiormente implicará que existe un estado fundamental de mínima

energía por debajo del cual los electrones no pueden decaer, y por tanto, las moléculas

serán estables ya que los electrones no pueden perder y perder energía como parecían

predecir las ecuaciones del electromagnetismo clásico. Dos resultados matemáticos

adicionales nos dicen como son las energías permitidas de los electrones dentro de una

molécula:8

Teorema HVZ para átomos y moléculas BO

El espectro esencial , donde , la energía  se denomina umbral de ionización.

W. Hunziker, C. Van Winter y G.M. Zhislin

Además dentro de la mecánica cuántica puede demostrarse que pueden existir iones

positivos (cationes, con carga positiva comparable al núcleo atómico), mientras que no es

igual de fácil tener iones negativos (aniones), el siguiente resultado matemático implica

tiene que ver con la posibilidad de cationes y aniones:8

Teorema

Para , el hamiltoniano  tiene un número infinito de autovalores (energías permitidas) por

debajo del umbral de ionización , además los estados ligados , con energías  satisfacen la

cota exponencial

Compuesto químico

Número de Avogadro

Volumen molar

Referencias

1. Volver arriba↑ Unión Internacional de Química Pura y Aplicada:

(1994) /M04002.html molecule,Compendium of Chemical Terminology, conocido

como Gold Book.

2. Volver arriba↑ Pauling, Linus (1970). General Chemistry. Nueva York: Dover

Publications, Inc. ISBN 0-486-65622-5.

3. Volver arriba↑ Ebbin, Darrell, D. (1990). General Chemistry, 3th Ed. Boston:

Houghton Mifflin Co. ISBN 0-395-43302-9.

4. Volver arriba↑ Brown, T.L. (2. 003). Chemistry - the Central Science, 9th Ed.

Nueva Jersey: Prentice Hall. ISBN 0-13-066997-0.

5. Volver arriba↑ Chang, Raymond (1998). Chemistry, 6th Ed. Nueva York: McGraw

Hill. ISBN 0-07-115221-0.

6. Volver arriba↑ Zumdahl, Steven S. (1997). Chemistry, 4th ed. Boston: Houghton

Mifflin. ISBN 0-669-41794-7.

7. Volver arriba↑ Chandra, Sulekh. Comprehensive Inorganic Chemistry. Nueva Era

Publishers.ISBN 8122415121.

8. ↑ Saltar a:a b S.J. Gustafson & I.M. Sigal, 2011, p. 101

Bibliografía[editar]

S. J. Gustafson & I. M. Sigal (2011): Mathematical Concepts of Quantum Mechanics,

Springer-Verlag, ISBN 978-3-642-21866-8.