Estructura molecular
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Estructura molecular es un concepto que, principalmente, se utiliza en química, biología, física y biotecnología.
Sumario
Definición
Estructura molecular es un concepto que, principalmente, se utiliza en química, biología, física y biotecnología. Describe cómo es, dentro de cada molécula, la distribución tridimensional de los átomos que la conforman. En este marco se consideran, además, la geometría espacial y el enlace químico que une a los elementos.
La estructura molecular es importante para poder saber qué propiedades químicas y físicas tiene la molécula y, por lo tanto, cómo se comporta una sustancia. De esos datos se desprenden el grado de reactividad química, la solubilidad, el punto de ebullición, etc. La polaridad y la actividad biológica son otras variables determinadas por la geometría molecular.
Con el objetivo de ayudar a comprender la teoría vinculada a la organización molecular y facilitar el reconocimiento de ejemplos de estructuras moleculares, a lo largo de este artículo describiremos qué es la estructura molecular. También ofreceremos datos sobre la importancia de la disposición molecular, qué aplicaciones posee en la vida cotidiana la organización molecular y los métodos y las técnicas que permiten apreciar con precisión el interior de las moléculas y averiguar cómo los átomos se ubican en ellas.
Tipos de estructura molecular
Se distinguen distintos tipos de estructura molecular. Las clasificaciones dependen de la organización de los átomos en el espacio y los enlaces que se producen en las moléculas.
Hay geometría lineal cuando la disposición de los átomos sigue una línea recta. Se observa, por indicar una referencia, en la molécula de dióxido de carbono y en aquellas donde hay enlaces dobles o triples.
La hibridación y la Teoría de Repulsión de Pares de Electrones de Valencia (RPECV) brindan información relevante acerca de la geometría molecular. Cada configuración molecular influye en las propiedades físicas y químicas de las sustancias, por eso dichos recursos se aprovechan para predecir y confirmar las estructuras moleculares
También es útil tener presente que hay otras clases de estructuras moleculares, como la piramidal trigonal (típica del amoníaco), la trigonal plana (geometría que caracteriza, por ejemplo, al trifluoruro de boro) y la tetraédrica (geometría que se observa en el metano).
Es enriquecedor considerar, asimismo, que el nivel de complejidad, su composición y el tamaño de cada molécula origina otras clasificaciones. Una cantidad de átomos bien definida da origen al conjunto de las moléculas discretas. Son monoatómicas si hay un único átomo, diatómicas si existe un par de átomos y poliatómicas cuando los átomos son más de tres. Existen, además, las macromoléculas, que son indispensables para los seres vivos. En este último grupo figuran, por ejemplo, los carbohidratos y las proteínas.
Aplicaciones prácticas
Las estructuras moleculares tienen aplicaciones prácticas en múltiples áreas. A los especialistas en farmacia y medicina les sirven para realizar vacunas efectivas, fármacos y diagnósticos, mientras que en el sector de la agroquímica son importantes para el desarrollo de fertilizantes y pesticidas.
En ingeniería de materiales, la estructura molecular se analiza en el proceso de elaboración de materiales novedosos que posean propiedades específicas, así como en el ámbito de la nanotecnología es imprescindible para crear dispositivos innovadores a escala atómica y molecular, como las nanopartículas y los nanobots que posibilitan tareas médicas. También en el campo de la educación se trabaja con modelos moleculares a fin de comprender mejor la ubicación de los átomos, los enlaces químicos (como el enlace iónico, el enlace metálico y el enlace covalente) y las estructuras que caracterizan a las moléculas.
Ejemplos de estructura molecular
Los ejemplos de estructura molecular sirven para entender de manera más sencilla la distribución tridimensional de átomos en una molécula.
Un caso interesante para analizar es la molécula de agua, cuya fórmula química es H2O. Se advierte en ella un enlace covalente que une, en una estructura angular, a un átomo de oxígeno y a dos de hidrógeno. Es una molécula polar porque los hidrógenos presentan carga parcial positiva y el oxígeno, carga parcial negativa.
El helio, por su parte, es monoatómico. Este gas noble, por sus particularidades, no forma enlaces químicos ni con él mismo ni con otros átomos.
El metano, en tanto, tiene una configuración molecular tetraédrica. Su fórmula es CH4. Cada átomo de hidrógeno (son 4 en total) se une al átomo de carbono mediante un enlace covalente.
De examinar la molécula de amoníaco, por sumar otra referencia válida, se determina que su geometría electrónica es tetraédrica pero distorsionada por efecto del par libre. Su fórmula es NH3 y su estructura molecular, piramidal trigonal (posee un formato de pirámide con una base triangular).
Es interesante saber, incluso, que un biopolímero, como lo es un ácido nucleico o una proteína, tiene una estructura primaria. Se trata del estilo más básico de organización de las macromoléculas biológicas, donde los monómeros siguen una secuencia lineal y se unen con enlaces covalentes. Como ejemplo de estructura cuaternaria a nivel molecular es posible señalar a la hemoglobina. En ella hay varias subunidades proteicas (definidas como cadenas polipeptídicas) que se conectan a través de interacciones químicas no covalentes para constituir una unidad funcional de transporte de oxígeno.
Un poco de historia
La idea de estructura molecular surge en el siglo XVII cuando Robert Boyle señala que, al admitir la hipótesis de Demócrito (la materia se constituye de átomos), es conveniente reconocer que en el mundo existe un tipo de principio arquitectónico que opera desde el comienzo del universo. La idea permaneció estancada hasta mediados del siglo XIX cuando surgieron los primeros modelos sobre estructura molecular. Friedrich A. Kekulé (Benfey, 1958) propuso que las propiedades de los hidrocarburos son parecidas debido a que poseen estructuras moleculares similares. Más tarde, el estudio del isomerismo óptico de Louis Pasteur fue básico para asignar una estructura tridimensional a las moléculas. En 1874, Jacobus H. van't Hoff y Joseph A. LeBel, al estudiar de manera independiente el isomerismo de moléculas asimétricas, descubrieron una relación entre la actividad óptica y la orientación espacial de los átomos, resaltando la importancia de una estructura tridimensional. En una molécula tetraédrica, con un átomo de carbono central rodeado de cuatro sustituyentes diferentes (carbono asimétrico), se obtienen dos arreglos que son imágenes especulares entre sí. La teoría desarrollada por Kekulé, van't Hoff, LeBel y otros, interpreta la estructura molecular sin considerar la fuerza que los enlaza, es decir, es un modelo puramente geométrico (Mulckhuyse, 1961), o como lo designa Giuseppe Del Re "la fase geométrica de la estructura molecular" (Del Re, 1998). Años más tarde, Gilbert N. Lewis introdujo nuevos elementos para reforzar el concepto de estructura molecular (Lewis, 1916), ya que al simbolizar a los electrones enlazantes mediante puntos y al núcleo con el símbolo del átomo que participa en el enlace, es posible aproximarse a la estructura y al tipo de enlaces implicados (el famoso octeto de Lewis). El modelo geométrico y las ideas de Lewis son la esencia del modelo clásico de estructura molecular, el cual afirma que ésta es un atributo inherente al sistema.
El desarrollo de la Mecánica Cuántica motivó que algunos elementos del modelo clásico se formularan en términos cuánticos. Como resultado surgió un modelo basado sobre algunos postulados fundamentales de la Mecánica Cuántica. Si los estados electrónicos se separan de los estados rotacionales y vibracionales, entonces los cambios energéticos asociados a cada uno de ellos también se separan. Experimentalmente, los espectros rotacionales y vibracionales se pueden medir de forma independiente; así, la forma molecular es constante y aproximadamente autónoma de las excitaciones rotacionales y vibracionales. Max Born y Robert Oppenheimer (Born, 1927) mostraron que si el movimiento de los núcleos es mucho más lento que el movimiento de los electrones, entonces los desplazamientos de los núcleos respecto a sus posiciones de equilibrio son mucho menores a las distancias de enlace, lo cual permite separar la parte electrónica de la parte nuclear. No obstante, a pesar de que la aproximación de Born-Oppenheimer se satisface para estados electrónicos basales de moléculas neutras, es común que falle en estados excitados de moléculas poliatómicas e iones (Woolley, 1978).
Fuentes
- Tomado de: https://definicion.de/estructura-molecular/Consultado el 17 de Septiembre de 2025.
- Tomado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Geometr%C3%ADa_molecular/Consultado el 17 de Septiembre de 2025
- Tomado de:https://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0187-893X2009000200013/Consultado el 17 de Septiembre de 2025.
