Química

Modelado molecular

modelado molecular o simulación molecular es un término general que engloba métodos teóricos y técnicas computacionales para modelar, imitar y predecir el comportamiento de moléculas. Las técnicas y métodos utilizados se encuentran en un amplio rango de campos de la física(termodinámica, mecánica clásica, mecánica estadística, mecánica cuántica, física matemática yciencia de materiales), la química computacional y la bioquímica para el estudio de sistemas moleculares que abarcan desde pequeños sistemas químicos a grandes moléculas biológicas y materiales cristalinos. Los cálculos más simples pueden ser realizados a mano, pero inevitablemente se requieren computadoras para realizar el modelado molecular de cualquier sistema medianamente complicado. La característica particular de las técnicas de modelado es la descripción a nivel atómico de los sistemas moleculares; el menor nivel de información es por átomos individuales (o un pequeño grupo de átomos).- ...................................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=ea22888e4e9914c97e339e5a5ebb5a312a25ccb7&writer=rdf2latex&return_to=Modelado+molecular

modelos moleculares, y el uso que hago de ellos, como algo tan normal que a veces los usan ellos mismos para “jugar a moléculas”. Es complicado intentar explicarles qué es la química y qué es una molécula o un átomo e ignoro si será contraproducente en el futuro que llamen “jugar a moléculas” a algo que para ellos es demasiado similar a un clásico juego de construcciones, pero sí sé que cuando llegue el momento de aprender química en mayor profundidad la palabra no les producirá ningún temor. O quizá, por el contrario, la analogía sea buena; la química no es más que un juego de construir con átomos la materia, paso a paso, hasta que esa materia toma formas tan complejas como un ser humano.

Dilemas educativos a parte, no cabe duda de que utilizar un modelo molecular para aprender química  cuando ya se han sentado algunas bases es muy adecuado para visualizar ciertos conceptos; además, pueden hacer una clase más amena y entretenida para los alumnos, algo nada desdeñable. Recuerdo, de hecho, que en uno de mis exámenes de química orgánica de la carrera era preceptivo llevar un modelo molecular y que sin él era prácticamente imposible aprobar (a no ser que tuvieses una percepción tridimensional sobrehumana, que era el caso de algún que otro compañero, pero no el mío). Además, está claro que no todos aprendemos del mismo modo y que, si bien habrá quien no necesite los modelos moleculares para visualizar en su mente una estructura tridimensional, la manipulación, “tocar la molécula” y “construirla”, puede ser algo que ayude a aprender a otras personas.

Estas son las piezas de aquel modelo molecular que compré en su día para mi examen (hace ya más de diez años) y que me ha acompañado desde entonces:

Modelo molecular de varillas: átomos y enlaces de distintas longitudes

Este tipo de modelo suele recibir el nombre de “modelo molecular de varillas“. Existen distintostipos de modelos moleculares, cada uno de ellos más orientados para uno u otro uso o simplemente más adecuados según el gusto del consumidor. En la actualidad, aquel modelo inicial de varillas se ha visto considerablemente ampliado. ¿Qué os parece mi nuevo maletín con compartimentos?

Maletín de modelos moleculares compartimentado: modelo de bolas y barras y modelo de varillas

Como podéis apreciar en el maletín, aparecen dos tipos de modelos distintos. Así, a continuación recogemos los tipos de modelos moleculares más habituales y sus principales características.

Modelos moleculares de varillas

El modelo molecular de varillas no es de los más vistosos, pero lo cierto es que para isomería me parece muy adecuado; te permite centrarte en la estructura molecular. Asimismo, presentan la ventaja de ser, comparativamente, los modelos moleculares más económicos (al final de la entrada podréis hallar una tabla comparativa de precios de distintos modelos moleculares para comprobarlo) Por ejemplo, si consideramos las dos conformaciones más habituales del ciclohexano (ciclohexano bote y ciclohexano silla), vemos lo siguiente:

A parte de la claridad en la diferencia que presentan ambas conformaciones, el hecho de que haya que hacer un pequeño esfuerzo manual para lograr que la estructura del ciclohexano pase de laconformación tipo bote a la conformación tipo silla puede ser una buena analogía para mostrar que, en efecto, se requiere superar cierta barrera energética para pasar de una a otraconformación, tal y como podríamos ver en un diagrama energético de interconversión de ambas conformaciones. La diferencia de energía entre la primera conformación indicada (bote) y la segunda (silla) es de unos 28 kJ/mol. De hecho, la conformación de tipo bote del ciclohexano no es aislable por su elevada energía y actúa como estado de transición entre la forma de tipo silla y otra conformación denominada de bote torcido.

También me parece útil este tipo de modelo molecular de varillas para estructuras cristalinas con un gran número de átomos. La periodicidad del cristal se observa mejor si construimos un trocito de cristal más amplio y no una única celda unidad, y los sets de modelos moleculares de varillas en general incluyen un mayor número de átomos que los de barras y esferas que comentaremos posteriormente. Por ejemplo, las imágenes siguientes muestran un trocito de laestructura del diamante:

Se observa cuál es la celda unidad de esta estructura (formada por tres hexágonos entrelazados) y la periodicidad que da la estructura cristalina al sólido.

Los modelos moleculares de varillas son muy ligeros y abultan poco, no estorban nada para llevar y traer regularmente al instituto o a la universidad (o a una fiesta, quién sabe, cada cual le da el uso que considera :D).  

Comercialmente podemos hallar distintos modelos de este tipo, por ejemplo el siguiente, con 150 piezas y átomos de carbono trigonales, es específico para la formación de nanotubos: O este otro, formado por 65 átomos, de uso general, como el que yo tengo y os he mostrado previamente:

Modelos moleculares de barras y esferas

Aunque ya habéis visto que como alumna comencé con un modelo molecular de varillas, hoy en día me decanto por los modelos moleculares de bolas de polipropileno que me parecen más llamativos y resultones. Me refiero a los siguientes:

Ejemplo de modelo molecular de barras y esferas de 20 átomos de carbono, 14 con 4 perforaciones (sp3) y 6 con 5 perforaciones (sp2 y bipirámide trigonal).

Las bolas de distintos colores representan los átomos de los distintos elementos químicos, mientras que las barras (de tres tamaños distintos) representan los enlaces entre ellos. No son tan económicos como los anteriores, a igualdad de precio el número de átomos que incluye el kit molecular es inferior, pero un set con 20 o 30 carbonos es más que suficiente para cualquier alumno que necesite un apoyo estructural en sus estudios.

Por ejemplo, en este de aquí, el contenido es el siguiente:

Átomos de carbono con 5 agujeros, 3 en el mismo plano (sp2): 6

Átomos de carbono con 4 agujeros, formando un tetraedro (sp3): 14

Átomos de hidrógeno: 30

Átomos de nitrógeno: 6

Cloro y flúor, de color verde: 8

Bromo: 2

Yodo: 2

Metales (octaédricos, 6 agujeros): 2

Enlaces cortos: 40

Enlaces medianos: 30

Enlaces largos: 12

Yo tengo muchos más átomos que los que contiene un kit estándar porque ahora soy una fanática de los modelos moleculares, como habéis visto en la imagen previa de mi maletín, aunque también hay kits moleculares pensados para el profesorado que son mucho más abultados y que también hallaréis en la tabla comparativa de modelos moleculares del final de la entrada.

Estos modelos moleculares de esferas son también útiles para las mismas aplicaciones que los de varillas, aunque como abultan más en general suelo usarlos para observar propiedades o comparar moléculas más pequeñas. Por ejemplo, para el estudio de la isomería Z-E, me parece muy interesante lo visual que resulta la incapacidad de rotar del doble enlace C=C. Así, podemos ilustrar que la distinta disposición de los sustituyentes en el plano de un enlace doble hace que hablemos de compuestos distintos con propiedades distintas, como en el caso del 1,2-dicloroetano que ilustramos a continuación:

Ilustrando la isomería cis-trans con un modelo molecular sencillo del 1,2-dicloroetano. El modelo molecular muestra claramente que ambas formas no se pueden interconvertir sin romper un enlace carbono-cloro y un enlace carbono-hidrógeno.

Esto es posible porque tanto los modelos moleculares de varillas como los de bolas y esferas presentan ángulos de enlace próximos a los reales, por ejemplo, los carbonos sp3 presentan el ángulo de un tetraedro (aproximadamente 109º) o los carbonos sp2, con tres enlaces en el mismo plano, ángulos de 120º.

También es interesante utilizar un modelo molecular de esferas para mostrar, por ejemplo, laisomería de función, es decir, compuestos que tienen la misma fórmula química pero distintos grupos funcionales y, por tanto, distintas propiedades y disposición de los átomos. Consideremos un compuesto de fórmula C3H6O, es decir, formado por 3 carbonos, 6 hidrógenos y 1 oxígeno:Viendo los distintos átomos que forman la molécula podemos pensar en diversas formas de interconectarlos y, por tanto, en distintos isómeros de función o de posición. Podemos formar:

Modelo molecular que representa la molécula de propenol (2-propen-1-ol)

Modelo molecular que representa la molécula de acetona