Molécula
En química, una molécula (del nuevo latín molecula, que es un diminutivo de
la palabra moles, 'masa') es un grupo eléctricamente neutro y suficientemente
estable de al menos dos átomos en una configuración definida, unidos por
enlaces químicos fuertes covalentes.4 5​ 6​ 7​ 8​ 9​ ​
En este estricto sentido, las moléculas se diferencian de los iones 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.10 ​
Representación
esquemática de los
átomos (bolas negras) y
los enlaces moleculares
(barras blancas-grises)
de una molécula de
Fullereno C60, es decir,
una sustancia elemental
formada por sesenta
átomos de carbono.
Una molécula puede consistir en varios átomos de un único elemento químico,
como en el caso del oxígeno diatómico (O2),11 ​ o de diferentes
elementos, como en el caso del agua (H2O).12 ​ 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 la atmósfera. 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
Imagen en un microscopio de fuerza
químicos, pero no están formados por moléculas. Además, ninguna
atómica (AFM) de una molécula de
molécula típica puede ser definida en los cristales iónicos (sales) o
PTCDA, en la que son visibles los
en cristales covalentes, aunque estén compuestos por celdas
cinco anillos de seis carbonos.1 ​
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.13 ​
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 los puentes de hidrógeno.
Una imagen de microscopía de túnel
de barrido de moléculas de
pentaceno, que consisten en
cadenas lineales de cinco anillos de
carbono.2 ​
La dinámica molecular es un método de simulación por
computadora que utiliza estas fuerzas para tratar de explicar las
propiedades de las moléculas.
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, el
grafeno ; o tridimensionalmente, por ejemplo, el diamante, el
cuarzo, o el cloruro de sodio. El tema de la estructura celular
unitaria repetida también se aplica a la mayoría de los metales que
metálicos. Por tanto, los metales sólidos no están hechos de moléculas.
Imagen AFM de 1,5,9-trioxo-13azatriangulene y su estructura
química.3 ​
son fases condensadas con enlaces
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 denomina química molecular o física molecular, dependiendo de si se centra
en la química o en la física. La química molecular se ocupa de las leyes que rigen la interacción entre las
moléculas que da lugar a la formación y ruptura de enlaces químicos, mientras que la física molecular se
ocupa de las leyes que rigen su estructura y propiedades. En la práctica, sin embargo, esta distinción es
imprecisa. En las ciencias moleculares, una molécula consiste en un sistema estable (estado ligado)
compuesto por dos o más átomos. Los iones poliatómicos pueden considerarse a veces como moléculas
cargadas eléctricamente. El término molécula inestable se utiliza para especies muy 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
Según la Real Academia Española el vocablo «molécula» deriva del latín moles 'mole' o 'masa' y el sufijo
diminutivo -ula 'masa pequeña'.14 ​
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 (utilizada hasta finales del siglo xviii solo en forma latina) se
remonta a la filosofía de Descartes.15 16
​ ​
La definición de molécula ha ido evolucionando a medida que ha aumentado el conocimiento de la
estructura de las moléculas. Las definiciones anteriores eran menos precisas, y definían las moléculas como
las partículas más pequeñas de sustancia químicas puras que aún conservan su composición y sus
propiedades químicas.17 ​ Esta definición a menudo se rompe ya que muchas sustancias en la experiencia
ordinaria, como rocas, sales, y metales, se componen de grandes redes cristalinas de átomos de enlace
químico o iones, pero no están hechas de moléculas discretas.
Definición y sus límites
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 moléculas están formadas por partículas. 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.
Una molécula es una unidad de sustancia que puede ser monoatómica o poliatómica. La unidad de todas las
sustancias gaseosas es la molécula.18 ​
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).
Ejemplo de molécula poliatómica: el
agua
Molécula de
Molécula de fullereno,
dinitrógeno, el gas que tercera forma estable
es el componente
del carbono tras el
mayoritario del aire
diamante y el grafito
Molécula de agua,
«disolvente
universal», de
importancia
fundamental en
innumerables
procesos bioquímicos
e industriales
Representación
poliédrica del anión de
Keggin, un polianión
molecular
Macromoléculas o polímeros: constituidas por la repetición de una unidad
comparativamente simple —o un conjunto limitado de dichas unidades— y que alcanzan
pesos moleculares relativamente altos.
Representación de un
fragmento de ADN, un
polímero de
importancia
fundamental en la
genética
Enlace peptídico que
une los péptidos para
formar proteínas
Representación de un
Primera generación
fragmento lineal de
de un dendrímero, un
polietileno, el plástico
tipo especial de
más usado
polímero que crece de
forma fractal
Enlaces
Los átomos que forman las moléculas se mantienen juntos 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.19 ​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,20 ​ otros señalan que los metales actúan 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 átomos,
cuando comparten electrones, se denomina enlace covalente.22 ​
Iónico
Un enlace covalente que forma H2
(derecha) donde dos átomos de
hidrógeno comparten los dos
electrones.
El enlace iónico es un tipo de enlace químico que implica la
atracción electrostática entre iones con carga eléctrica 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).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 no metálico, pero estos iones
pueden ser de naturaleza más complicada, por ejemplo, iones moleculares como NH4+ o SO4 2−.
El sodio y el flúor experimentan una
reacción redox para formar fluoruro
de sodio. El sodio pierde su electrón
externo para adoptar una
configuración electrónica estable, y
este electrón entra en el átomo de
flúor en forma exotérmica.
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.
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 amoniaco. Contiene los símbolos 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 distintos grupos 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).
Moléculas en la teoría cuántica
La mecánica clásica y el electromagnetismo clásico no podían explicar la existencia y estabilidad de 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 cualitativamente 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 ion poliatómico se describe como un sistema formado por
electrones de masa
y Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un
plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del
servidor «http://localhost:6011/es.wikipedia.org/v1/»:): {\displaystyle M} núcleos de masas
. En
mecánica cuántica las interacciones físicas de estos elementos se presentan por un hamiltoniano cuántico,
cuyos autovalores serán las energías permitidas del sistema y cuyas autofunciones describirán los orbitales
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
protones, será
. Para estudiar este sistema es necesario analizar el siguiente hamiltoniano cuántico:
(1)
definido sobre el espacio de funciones antisimetrizadas de cuadrado integrable
coordenadas asociadas a las posiciones de los electrones vienen dadas por
la de los núcleos atómicos vienen dadas por
entre electrones y núcleos vienen dadas por el potencial
, las
y
. Y las interacciones electrostáticas
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
se tendrá un átomo polielectrónico si
, y un átomo hidrogenoide si
.
Aproximación de Born-Oppenheimer
Resolver el problema de autovalores y autofunciones para el hamiltoniano cuántico dado por (1 (https://es.w
ikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula#Equation_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 (https://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula#Equation_1)) por
la aproximación de Born-Oppenheimer dada por:
(3)
definido sobre el espacio de funciones
y donde
es la posición de los núcleos que
para el análisis se considera fija. El resultado básico de este análisis viene dado por el siguiente resultado
matemático:
Teorema de Kato
Los operadores
y
acotados inferiormente.
son autoadjuntos y
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:24 ​
Teorema HVZ para átomos y moléculas BO
El espectro esencial Error al representar (SVG
(MathML puede ser habilitado mediante un plugin de
navegador): respuesta no válida («Math extension
cannot connect to Restbase.») del servidor
«http://localhost:6011/es.wikipedia.org/v1/»:):
{\displaystyle \sigma_{ess}(\hat{H}^{BO}_{mol,N}) =
[\Sigma_N, \infty)} , donde
energía
se denomina umbral de ionización.
, la
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:24 ​
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
,
Véase también
Compuesto químico
Nanotecnología
Número de Avogadro
Volumen molar
Sólidos moleculares
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Enlaces externos
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