En quimica , una molecula (del nou llati molecula , que es un diminutiu del mot moles , ' massa ') es un grup electricament neutre i suficientment estable d'almenys dos atoms en una configuracio definida, units per enllacos quimics forts ( covalents o enllac ionic ). ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]} En aquest estricte sentit, les molecules es diferencien dels ions poliatomics . En la quimica organica i la bioquimica , el terme “molecula” s'utilitza de manera menys estricta i s'aplica tambe als compostos organics (molecules organiques) i a les biomolecules .

Abans, hom definia la molecula de manera menys general i precisa, com la mes petita part d'una substancia que podia tenir existencia independent i estable conservant encara les seves propietats fisicoquimiques. D'acord amb aquesta definicio, podien existir molecules monoatomiques. En la teoria cinetica dels gasos , el terme molecula s'aplica a qualsevol particula gasosa amb independencia de la seva composicio. D'acord amb aquesta definicio, els atoms d'un gas noble es considerarien molecules tot i que es componen d'atoms no enllacats. ^[7]

Una molecula pot consistir en diversos atoms d'un unic element quimic , com en el cas de l' oxigen diatomic ( ${\displaystyle {\ce {O_2}}}$), o de diferents elements, com en el cas de l' aigua ( ${\displaystyle {\ce {H_2O}}}$). Els atoms i complexos units per enllacos no covalents com els enllacos d'hidrogen o els enllacos ionics no s'acostumen a considerar com a molecules individuals.

Les molecules com a components de la materia son comunes en les substancies organiques (i per tant en la bioquimica ). Tambe conformen la major part dels oceans i de l' atmosfera . Pero, un gran nombre de substancies solides familiars, que inclouen la major part dels minerals que componen l' escorca , el mantell i el nucli de la Terra , contenen molts enllacos quimics, pero no estan formats per molecules. Cap de les molecules tipiques no pot estar formada per cristalls ionics ( sals ) o per cristalls covalents, encara que sovint estan compostos per cel·les unitaries que es repeteixen, ja sigui en un pla (com en el grafit ) o en tres dimensions (com en el diamant o el clorur de sodi ). Aquest sistema de repetir una estructura unitaria diverses vegades tambe es valida per a la majoria de les fases condensades de la materia , com els enllacos metal·lics . En el vidre (solids que presenten un estat vitri desordenat), els atoms tambe poden estar units per enllacos quimics sense que es pugui identificar cap mena de molecula, pero tambe sense la regularitat de la repeticio d'unitats que caracteritza els cristalls .

Etimologia [ modifica ]

La paraula moderna molecula es del 1864 , i es un diminutiu savi modern del llati m?l?s , que significa 'massa, volum'. ^[8]

Grandaria [ modifica ]

La majoria de les molecules son massa petites per ser vistes a ull nu, pero hi ha excepcions. La macromolecula d' ADN , aixi com altres polimers , poden arribar a tenir mides macroscopiques . Les molecules que normalment s'utilitzen com a blocs constituents en sintesi organica tenen una dimensio que va d'uns pocs A a unes dotzenes. Les molecules mes grans son anomenades macromolecules .

La molecula mes petita es el dihidrogen ( ${\displaystyle {\ce {H_2}}}$) que te un enllac de 0,74 A. ^[9] La molecula amb el diametre mes gran es la silica mesoporosa, amb 1.000 A (100 nm). ^[10]

Estructura [ modifica ]

Les molecules es componen d' electrons i nuclis atomics . La ubicacio d'aquests ultims en la molecula en determina la formula desenvolupada (a partir de la qual se'n fa la formula quimica ). Les molecules de proteines i determinats compostos sintetics poden contenir centenars de milers d'atoms. Les macromolecules son un cas a part.

Les molecules son l'objecte d'estudi de la teoria de l'estructura molecular i la quimica quantica . Aquesta ultima es basa en els descobriments de la fisica quantica , incloent-hi els seus aspectes relativistes . Una altra disciplina emergent es el disseny de molecules . Per a determinar l'estructura d'una molecula, la ciencia actual disposa d'una gran varietat d'eines: l' espectroscopia electronica , l' espectroscopia vibratoria , la ressonancia magnetica nuclear , la ressonancia paramagnetica electronica i moltes d'altres, tot i que els unics metodes d'observacio directa son els que es basen en la difraccio, com ara la difraccio de rajos X i la difraccio de neutrons .

Interaccions intramoleculars [ modifica ]

Les interaccions intramoleculars son les forces que actuen entre atoms d'una mateixa molecula i els mantenen units.

La naturalesa dels enllacos quimics de les molecules va ser un misteri fins a l'arribada de la mecanica quantica , ja que la fisica classica era incapac d'explicar la saturacio i direccio dels enllacos de valencia . Els fonaments de la teoria dels enllacos quimics van ser posats el 1927 per Walter Heitler i Fritz London , basant-se en la molecula mes senzilla, la H₂ . ^[11] Des d'aleshores, tant la teoria com els metodes per a estudiar-la han millorat molt.

Aquests son alguns exemples d'enllacos intramoleculars: ^[12]

• enllacos covalents : existeixen entre atoms no metal·lics. ^[13] Per exemple, els atoms de carboni i oxigen del dioxid de carboni (CO₂) estan units per enllacos covalents,
• enllacos ionics : existeixen entre atoms no metal·lics i metal·lics. ^[14] Per exemple, els atoms de sodi i clor del clorur de sodi (NaCl) estan units per enllacos ionics,
• enllacos metal·lics : existeixen entre atoms metal·lics. Per exemple, els atoms de coure que formen una planxa d'aquest material estan units per enllacos metal·lics.

Els enllacos quimics que formen les molecules de la immensa majoria de compostos organics son covalents . En els compostos inorganics, hi ha enllacos ionics i de donador-acceptor, que resulten de la interaccio entre un parell d'electrons dels atoms. L'energia de formacio de les molecules a partir d'atoms es aproximadament additiva. Aixo vol dir que es pot assumir que l'energia de les molecules es igual a la suma de les energies dels seus enllacos.

Tanmateix, no sempre es aixi. Un exemple de molecules que no compleixen la regla de l'additivitat son les molecules organiques planes amb enllacos conjugats , es a dir, amb una alternanca d'enllacos simples i enllacos multiples. La forta deslocalitzacio dels estats p dels electrons estabilitza la molecula.

En la majoria de casos, l' espin total dels electrons de valencia d'una molecula es zero. Les molecules amb electrons no aparellats ( radicals lliures com ara l' hidrogen monoatomic o el grup metil , C H ₃) solen ser inestables, ja que quan interaccionen es produeix una reduccio important d'energia a causa de la formacio d'enllacos covalents. ^[15]

Interaccions intermoleculars [ modifica ]

La interaccio intermolecular es la interaccio entre molecules de carrega neutra en l'espai. La naturalesa de les interaccions intermoleculars varia segons la polaritat quimica . No se'n va saber gaire cosa fins a l'emergencia de la mecanica quantica .

Les forces intermoleculars son febles en comparacio amb les intramoleculars. Per exemple, l'enllac covalent present en les molecules de clorur d'hidrogen (HCl) es molt mes fort que les forces presents entre les molecules veines, quan les molecules estan prou a prop les unes de les altres.

Les interaccions intermoleculars d'orientacio es produeixen entre les molecules polars, es a dir, les que tenen el seu propi moment de dipol. La interaccio dels moments de dipol determina com sera la forca resultant: atraccio o repulsio. Si els moments de dipol de les molecules estan configurats en linia de les molecules, s'intensifica.

Les interaccions intermoleculars de tipus inductiu es produeixen entre una molecula polar i una de no polar. En aquest tipus d'interaccio, la molecula polar polaritza la molecula no polar. La carrega electrica de la molecula polar distorsiona el nuvol d'electrons de la molecula no polar. ^[16] En general, la carrega positiva es mou en la direccio del camp electric i la negativa en la direccio contraria.

Hi ha quatres tipus diferents de forces intermoleculars atractives:

• Forces de dipol-dipol: interaccions electroestatiques entre els dipols permanents de les molecules.
• Forces de dipol-dipol induit, o forces de Debye : la interaccio atractiva entre el multipol permanent d'una molecula i un multipol induit (pel primer dipol o multipol) d'una altra.
• Forces de dipol instantani-dipol induit, o forces de dispersio de London : forces provocades pels moviments correlacionats dels electrons de molecules que interaccionen. ^[17]
• Forces de io -dipol: vegeu a continuacio.

Les forces de io-dipol i io-dipol induit funcionen en gran manera com les interaccions de dipol-dipol i dipol-dipol induit. Tanmateix, les forces de io-dipol es produeixen entre ions, en lloc de nomes molecules polars o no polars. Les forces de io-dipol son mes fortes que les interaccions de dipols perque la carrega d'un io es molt superior a la d'un moment de dipol. Els enllacos de io dipol son mes forts que els enllacos d'hidrogen. Una forca de io-dipol consisteix en la interaccio d'un io i una molecula polar, que s'alineen de manera que les forces positives i negatives son adjacents, cosa que maximitza l'atraccio. Una forca de io-dipol induit consisteix en la interaccio d'un io i una molecula no polar. Igual que en una forca de dipol-dipol induit, la carrega de l'io provoca una distorsio en el nuvol d'electrons de la molecula no polar.

Propietats electriques i optiques [ modifica ]

El comportament de la materia en un camp electric es determinat per les propietats electriques basiques de les molecules que la conformen: un moment de dipol permanent i la polaritzabilitat.

El moment de dipol es un desequilibri del ≪centre de gravetat≫ de les carregues positives i negatives d'una molecula (es a dir, l'asimetria electrica de la molecula). Les molecules amb centre de simetria, com ara la H₂, manquen de moment de dipol permanent, i viceversa. ^[18]

La polaritzabilitat es la capacitat de la capa d'electrons d'una molecula de moure's sota la influencia d'un camp electric, resultant en un moment de dipol induit. El valor del moment de dipol i la polaritzabilitat es poden mesurar experimentalment gracies a la constant dielectrica. La polaritzabilitat es una propietat de la materia, determina la resposta dinamica d'un sistema enllacat a camps externs i proporciona informacio sobre l'estructura interna de les molecules. ^[19]

Les propietats optiques d'un material son determinades pel seu comportament en el camp electric alternant d'una ona de llum i la polaritzabilitat de les seves molecules. Com que la polaritzabilitat esta directament relacionada amb la refraccio i difusio de la llum , l'activitat optica i altres fenomens similars son estudiats per l' optica molecular .

Propietats magnetiques [ modifica ]

Les molecules i macromolecules de la majoria de compostos quimics son diamagnetiques . La susceptibilitat de molecules (χ) a formar organics compostos es pot expressar com a suma dels enllacos individuals de χ.

Les molecules amb moment magnetic permanent son paramagnetiques . Es el cas de la majoria d' elements i alguns compostos . ^[20] En son exemples les molecules amb un nombre senar d'electrons a la capa externa (com ara l' NO i els radicals lliures) i les molecules amb atoms que tenen una capa interna incompleta ( metalls de transicio , etc.).

Espectres i estructures moleculars [ modifica ]

Les propietats electriques, optiques, magnetiques i d'altres tipus de les molecules estan relacionades amb les funcions d'ona i energia dels diferents estats de les molecules. Els espectres moleculars proporcionen informacio sobre l'estat de les molecules.

Les frequencies de vibracio dels espectres estan determinades per la massa dels atoms, la seva ubicacio i la dinamica de les interaccions interatomiques. Les frequencies depenen del moment d'inercia de les molecules, tal com el determina l' espectroscopia . El nombre total de linies i bandes de l'espectre de vibracio d'una molecula depen de les seves simetries.

Quimica, fisica i biologia [ modifica ]

El concepte de molecula es essencial per a la quimica, i gran part de la informacio sobre l'estructura i funcionament de les molecules es gracies a la investigacio quimica. L'estructura molecular depen de les reaccions quimiques , i viceversa, ja que l'estructura molecular pot determinar el curs i el resultat de les reaccions.

L'estructura i les propietats d'una molecula son determinades per als fenomens fisics que estudia la fisica molecular . En fisica, el concepte de molecula es fa servir per a explicar les propietats dels gasos , liquids i solids . La mobilitat d'una molecula depen de la seva difusio , viscositat , conductivitat termica , etc. La primera prova experimental directa de l'existencia de les molecules va ser obtinguda pel fisic frances Jean Perrin el 1906 durant el seu estudi del moviment brownia .

Com que tots els essers vius existeixen gracies a un delicat equilibri de reaccions quimiques i no quimiques entre les molecules que els componen, l'estudi de l'estructura i les propietats de les molecules es d'una importancia capital per la biologia i la ciencia en general.

Els avencos en biologia, quimica i fisica molecular han conduit a l'emergencia de la biologia molecular , que estudia els fonaments de la vida basant-se en l'estructura i propietats de les molecules biologicament funcionals.

Tipus de molecules [ modifica ]

Segons el nombre d'atoms les molecules es classifiquen en:

• Molecules discretes . Les constituides per un nombre ben definit i en general petit d'atoms.

• 
  Molecula de nitrogen , N₂
• 
  Molecula d'aigua , H₂O
• 
  Molecula de sacarosa
• 
  Molecula d' acid linolenic

• Macromolecules o polimer . Son molecules amb una massa molecular relativament alta, amb una estructura formada per la repeticio d'unitats derivades, realment o conceptual, de molecules de baix pes molecular. En molts casos, especialment per als polimers sintetics, pot considerar-se que una macromolecula te una elevada massa molecular relativa, si l'addicio o supressio d'una o diverses de les unitats te un efecte insignificant en les seves propietats. Aquest no es el cas d'algunes de les macromolecules les propietats de les quals poden ser criticament dependents de detalls fins de l'estructura molecular. ^[21]

• 
  Part d'una macromolecula de silicona
• 
  Part d'una macromolecula de nitrocel·lulosa
• 
  Part d'una macromolecula d' ADN
• 
  Part d'una proteina

Formula molecular [ modifica ]

Una propietat important de qualsevol molecula es la seva formula quimica ; aquesta es pot expressar com a formula empirica que relaciona la quantitat d' atoms de cada element que hi ha, en el cas d'un compost o simplement el total d'atoms en el cas d'un element. Per exemple, l'aigua (H₂O), esta formada per dos atoms d' hidrogen (H) i un d' oxigen (O), per tant te una relacio de 2:1 d'hidrogen i oxigen. Les molecules d'oxigen atmosferic estan formades per dos atoms d'oxigen (O). L' etanol esta compost de carboni, hidrogen i oxigen en una relacio 2:6:1. Aquesta relacio no determina per si sola la classe de molecula; per exemple, l' eter dimetilic te la mateixa relacio que l'etanol i son molecules diferents, tenen els mateixos atoms, pero una estructura diferent: son isomers .

Tambe es pot expressar la seva formula quimica com a formula molecular, que reflecteix la quantitat exacta d'atoms que la componen, aixi es poden diferenciar mes molecules, tot i que els isomers tenen la mateixa formula molecular, pero representen diferents molecules.

La formula empirica pot ser equivalent a la formula molecular, pero no sempre. Per exemple, la molecula d' acetile te la formula molecular C₂H₂, pero la formula empirica seria CH.

Historia [ modifica ]

Hipotesi d'Avogadro [ modifica ]

No fou fins a 1814 quan el quimic italia Amedeo Avogadro proposa l'existencia de molecules formades per dos o mes atoms . Segons Avogadro, en una reaccio quimica una molecula de reactiu ha de reaccionar amb una o diverses molecules d'un altre reactiu, donant lloc a una o diverses molecules del producte , pero una molecula no pot reaccionar amb un nombre no sencer de molecules, ja que la unitat minima d'un reactiu es la molecula . Ha d'existir, per tant, una relacio de nombres enters senzills entre les molecules dels reactius, i entre aquestes molecules i les del producte.

Segons la llei de Charles i Gay-Lussac , aquesta mateixa relacio es la que ocorre entre els volums dels gasos en una reaccio quimica . Per aixo, deu existir una relacio directa entre aquests volums de gasos i el nombre de molecules que contenen. Per a explicar aquesta llei, Avogadro introdui la hipotesi que les molecules de la majoria dels gasos elementals mes habituals ( hidrogen , clor , oxigen , nitrogen , etc.) eren diatomiques (H₂, Cl₂, O₂, N₂, etc.), es a dir, que per mitja de reaccions quimiques es poden separar en dos atoms.

La hipotesi d'Avogadro no fou admesa per la comunitat cientifica fins al 1860 , quan un deixeble d'Avogadro, Stanislao Cannizzaro , presenta en una reunio cientifica a Karlsruhe un article (publicat el 1858 ) sobre les hipotesis d'Avogadro i la determinacio de masses atomiques .

Proves d'Einstein i Perrin [ modifica ]

El 1827, Robert Brown , un botanic escoces, informa que els granuls de pol·len submergits en l' aigua es mouen continuament i es traslladen de manera irregular d'un lloc a un altre, es el que s'anomena moviment brownia . En principi, es pensa que els grans de pol·len tenien vida, pero el 1863 se suggeri que el moviment observat podia ser a causa d'un bombardeig desigual de les particules de pol·len per les molecules d'aigua del seu voltant. En els objectes macroscopics, no s'observava perque els impactes son massa petits per a produir cap efecte. Pero en el cossos microscopics, bombardejats potser per uns pocs centenars de molecules per segon, un petit exces, per un o un altre costat, poden determinar una agitacio observable. No hi hague una interpretacio teorica d'aquesta observacio fins que Albert Einstein oferi una explicacio quantitativa el 1905. ^[22] Einstein elabora un model teoric que permetia fer prediccions precises sobre la mida de les particules.

Tres anys mes tard, el fisic frances Jean Baptiste Perrin per tal de confirmar les prediccions d'Einstein realitza un estudi experimental del moviment brownia. ^[23] El seu treball fou possible gracies al desenvolupament de l'ultramicroscopi per Richard Zsigmondy i Henry Siedentopf el 1903. Perrin estudia la forma en que les particules sedimentaven dins de l'aigua, deguda a la influencia de la gravetat. A aquesta sedimentacio, s'oposen les col·lisions de les molecules d'aigua procedents de la part inferior, de manera que el moviment brownia s'oposa a la forca de la gravetat. Perrin empra aquest descobriment per a calcular la mida de les molecules mitjancant l'equacio d'Einstein i demostra la seva validesa. La importancia fonamental d'aquest treball es que estableix l'atomisme com una cosa mes que una hipotesi util. Fou principalment com a resultat de la tasca de Perrin que els mes eminents esceptics de l'existencia de les molecules, entre ells Wilhelm Ostwald , finalment cediren.

Tipus d'enllacos en les molecules [ modifica ]

En les molecules, es pot imaginar que els parells electronics compartits mantenen units els atoms entre si es tracta de l' enllac covalent . Depenent de la diferencia d'electronegativitat entre els atoms, l'enllac sera purament covalent, o presentara certa polaritat o contribucio ionica. Les molecules rarament es troben sense interaccio entre si, excepte els gasos nobles . Aixi, poden trobar-se en xarxes cristal·lines, com el cas de les molecules d'H₂O en el gel o amb interaccions intenses, pero que canvien rapidament de direccio, com en l'aigua liquida. L'estudi de les interaccions especifiques entre molecules, incloent-hi el reconeixement molecular, es el camp d'estudi de la quimica supramolecular . Aquestes forces son fonamentals per a propietats com la solubilitat o el punt d'ebullicio . Algunes d'aquestes, en ordre decreixent d'intensitat, son:

• pont d'hidrogen
• interaccio dipol-dipol
• forces de Van der Waals

Referencies [ modifica ]

Bibliografia [ modifica ]

• Tatievski, B. M . Квантовая механика и теория строения молекул (≪La mecanica quantica i la teoria de l'estructura molecular≫) (en rus). Moscou: Publicacions de la Universitat Estatal de Moscou , 1965, p. 162 pag..  
• Bader, R . Атомы в молекулах. Квантовая теория (≪Els atoms a les molecules. Teoria quantica≫) (en rus). Moscou: Mir, 2001, p. 532 pag.. ISBN 5-03-003363-7 .  
• Minkin, V. I ; Simin, B. J.; Miniaev R. M. Теория строения молекул (≪Teoria de l'estructura molecular≫) (en rus). Moscou: Alta Escola, 1979, p. 408 pag..  
• Cook, D. Квантовая теория молекулярных систем. Единый подход (≪Teoria quantica de sistemes moleculars. Un enfocament unificat≫) (en rus). Moscou: Интеллект, 2012, p. 256 pag.. ISBN 978-6-91559-096-9 .  

Enllacos externs [ modifica ]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimedia relatiu a: Molecula

• ≪ Vista general de les forces moleculars ≫ (en angles).
• ≪ Les molecules, al Gold Book de la IUPAC ≫ (en angles). IUPAC.
• ≪ Les entitats moleculars al Gold Book de la IUPAC ≫ (en angles). IUPAC.

Plantilla:Infotaula composicio de la materia

Viccionari