Moléculas

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 o enlace iónico).^[1]​^[2]​^[3]​^[4]​^[5]​^[6]​

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.^[7]​

Una molécula puede consistir en varios átomos de un único elemento químico, como en el caso del oxígeno diatómico (O₂),^[8]​ o de diferentes elementos, como en el caso del agua (H₂O).^[9]​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 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 los puentes 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.

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.^[10]​

Las moléculas se pueden clasificar en:

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

Molécula de fullereno, tercera forma estable del carbono tras el 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

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 fragmento lineal de polietileno, el plástico más usado

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

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 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).

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 ${displaystyle N}$ electrones de masa ${displaystyle m}$ y ${displaystyle M}$ núcleos de masas ${displaystyle m_{j}}$. 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 ${displaystyle Z_{j}}$ protones, será ${displaystyle Z_{j}e}$. Para estudiar este sistema es necesario analizar el siguiente hamiltoniano cuántico:

(1)${displaystyle {hat {H}}_{mol}=-sum _{j=1}^{N}{frac {hbar ^{2}}{2m}} abla _{x_{j}}^{2}-sum _{j=1}^{M}{frac {hbar ^{2}}{2m_{j}}} abla _{y_{j}}^{2}+V(x,y)}$

definido sobre el espacio de funciones antisimetrizadas de cuadrado integrable ${displaystyle L_{sym}^{2}(mathbb {R} ^{3(N+M)})}$, las coordenadas asociadas a las posiciones de los electrones vienen dadas por ${displaystyle x=(x_{dot {a}}2,dots ,x_{N})in mathbb {R} ^{3N}}$ y la de los núcleos atómicos vienen dadas por ${displaystyle y=(y_{1},dots ,y_{M})in mathbb {R} ^{3M}}$. Y las interacciones electrostáticas entre electrones y núcleos vienen dadas por el potencial ${displaystyle V(x,y)}$ que se puede escribir como:

(2)${displaystyle V(x,y)={frac {1}{2}}sum _{i eq j}{frac {e^{2}}{|x_{i}-x_{j}|}}-sum _{i,j}{frac {Z_{j}e^{2}}{|x_{i}-y_{j}|}}+{frac {1}{2}}sum _{i eq j}{frac {Z_{i}Z_{j}e^{2}}{|y_{i}-y_{j}|}}}$

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:

${displaystyle sum _{j=1}^{M}Z_{j}=N}$

Si ${displaystyle M=1}$ se tendrá un átomo polielectrónico si ${displaystyle Z_{1}>1}$, y un átomo hidrogenoide si ${displaystyle Z_{1}=1}$.

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:

(3)${displaystyle {hat {H}}_{mol,N}^{BO}(y)=-sum _{j=1}^{N}{frac {hbar ^{2}}{2m}} abla _{x_{j}}^{2}+V(x,y)}$

definido sobre el espacio de funciones ${displaystyle L_{sym}^{2}(mathbb {R} ^{3N})}$ y donde ${displaystyle yin mathbb {R} ^{3M}}$ 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 ${displaystyle {hat {H}}_{m}ol}$ y ${displaystyle {hat {H}}_{mol,N}^{BO}(y)}$ son autoadjuntos y acotados inferiormente.

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:^[11]​

Teorema HVZ para átomos y moléculas BO

El espectro esencial ${displaystyle sigma _{ess}({hat {H}}_{mol,N}^{BO})=[Sigma _{N},infty )}$, donde ${displaystyle Sigma _{N}=inf({hat {H}}_{mol,N-1}^{BO})}$, la energía ${displaystyle Sigma _{N}}$ se denomina umbral de ionización.

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:^[11]​

Teorema

Para ${displaystyle N<sum _{j}Z_{j}+1}$, el hamiltoniano ${displaystyle {hat {H}}_{mol,N}^{BO}}$ tiene un número infinito de autovalores (energías permitidas) por debajo del umbral de ionización ${displaystyle Sigma _{N}}$, además los estados ligados ${displaystyle Psi _{N}^{(i)}(x_{1},x_{2},dots ,x_{N})}$, con energías ${displaystyle E_{N}^{(i)}<Sigma _{N}}$ satisfacen la cota exponencial

${displaystyle int _{mathbb {R} ^{3N}}|Psi _{N}^{(i)}(x)|^{2}e^{2alpha |x|}d^{3N}x<infty ,qquad forall alpha <{sqrt {Sigma _{N}-E_{N}^{(i)}}}}$

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