La física molecular estudia problemas relacionados con la estructura atómica de la materia y su interacción con el medio. Por ejemplo, se tratan problemas como dinámica y de reacciones, dispersión, interacciones con campos electromagnéticos estáticos y dinámicos, enfriamiento y atrapamiento de átomos, interferometría atómica, interacciones de haces de iones y átomos con superficies y sólidos. Además, tiene múltiples conexiones con la biología, la fisicoquímica, las ciencias de los materiales, la óptica, la física de la atmósfera, la física del plasma y la astrofísica, entre otras. Desempeña un papel fundamental en la solución de preguntas fundamentales sin resolver en el estudio de los átomos y las moléculas.
La geometría molecular o estructura molecular se refiere a la disposición tridimensional de los átomos que constituyen una molécula. Determina muchas de las propiedades de las moléculas, reactividad, polaridad, fase, color, magnetismo, actividad biológica, etc. Actualmente, el principal modelo es la teoría de repulsión de pares de electrones de valencia (TRPEV), empleada internacionalmente por su gran predictibilidad.
Determinación de la geometría molecular[editar]
Las geometrías moleculares se determinan mejor cuando las muestras están próximas al cero absoluto porque a temperaturas más altas las moléculas presentarán un movimiento rotacional considerable. En el estado sólido la geometría molecular puede ser medida por difracción de rayos X. Las geometrías se pueden calcular por procedimientos mecánico cuánticos ab initio o por métodos semiempíricos de modelamiento molecular.
La posición de cada átomo se determina por la naturaleza de los enlaces químicos con los que se conecta a sus átomos vecinos. La geometría molecular puede describirse por las posiciones de estos átomos en el espacio, mencionando la longitud de enlace de dos átomos unidos, ángulo de enlace de tres átomos conectados y ángulo de torsión de tres enlaces consecutivos.
Movimiento atómico[editar]
Dado que el movimiento de los átomos en una molécula está determinado por la mecánica cuántica, uno debe definir el "movimiento" de una manera cuántica.
Los movimientos cuánticos (externos) de traslación y rotación cambian fuertemente la geometría molecular. (En algún grado la rotación influye en la geometría por medio de la fuerza de Coriolis y la distorsión centrífuga, pero son despreciables en la presente discusión).
Un tercer tipo de movimiento es la vibración , un movimiento interno de los átomos en una molécula. Las vibraciones moleculares son armónicas (al menos en una primera aproximación), lo que significa que los átomos oscilan en torno a su posición de equilibrio, incluso a la temperatura del cero absoluto. En el cero absoluto todos los átomos están en su estado vibracional basal y muestran movimiento mecánico cuántico de punto cero, esto es, la función de onda de un modo vibracional simple no es un pico agudo, sino un exponencial de ancho finito. A temperaturas mayores, los modos vibracionales pueden ser excitados térmicamente (en un interpretación clásica, esto se expresa al enunciar que "las moléculas vibrarán más rápido"), pero siempre oscilan alrededor de una geometría reconocible para la molécula.
Para tener una comprensión más clara de la probabilidad de que la vibración de una molécula pueda ser térmicamente excitada, se inspecciona el factor de Boltzmann , donde es la energía de excitación del modo vibracional, es la constante de Boltzmann y es la temperatura absoluta. A 298K (25 °C), unos valores típicos del factor de Boltzmann son: ΔE = 500 cm-1 --> 0.089; ΔE = 1000 cm-1 --> 0.008; ΔE = 1500 cm-1 --> 7 10-4. Esto es, si la energía de excitación es 500 cm-1, aproximadamente el 9% de las moléculas están térmicamente excitadas a temperatura ambiente. La menor energía vibracional de excitación es el modo de flexión (aproximadamente 1600 cm-1). En consecuencia, a temperatura ambiente menos del 0,07% de todas las moléculas de una cantidad dada de agua vibrarán más rápido que en el cero absoluto.
Como se mencionó anteriormente, la rotación influye fuertemente sobre la geometría molecular. Pero, como movimiento mecánico cuántico, se excita a bajas temperaturas (comparada con la vibración). Desde un punto de vista clásico, puede decirse que más moléculas rotan más rápidamente a temperatura ambiente, esto es que tienen mayor velocidad angular y momentum angular. En lenguaje de mecánica cuántica: más "eigenstates" de alto momentum angular son poblados térmicamente al aumentar la temperatura. Las energías de excitación rotacionales típicas están en el orden de unos pocos cm-1.
Los resultados de muchos experimentos espectroscópicos están ensanchados porque involucran una media de varios estados rotacionales. Frecuentemente es difícil obtener las geometrías a partir de los espectros a altas temperaturas, porque el número de estados rotacionales rastreados en el experimento aumenta al incrementarse la temperatura. En consecuencia, muchas observaciones espectroscópicas sólo se puede esperar que conduzcan a geometrías moleculares confiables a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Enlaces atómicos[editar]
Por definición, los átomos en las moléculas suelen estar unidos unos a otros con enlaces covalentes, que pueden ser simples, dobles o triples, donde un "enlace" es un par de electrones compartidos entre átomos vecinos. Otro método de unión entre átomos se denomina enlace iónico en el que intervienen cationes positivos y anionesnegativos, sin que se formen moléculas sino redes iónicas.
La geometría molecular puede ser especificada en términos de longitud de enlace, ángulo de enlace y ángulo torsional. La longitud de enlace está definida como la distancia media entre los centros de dos átomos enlazados en una molécula dada. Un ángulo de enlace es el ángulo formado por tres átomos enlazados consecutivamente. Para cuatro átomos unidos consecutivamente en una cadena línea, el ángulo torsional es el ángulo entre el plano formado por los tres primeros átomos y el plano formado por los tres últimos átomos.
Isómeros[editar]
Los isómeros son tipos de moléculas que comparten la misma fórmula química, pero que tienen diferentes geometrías, resultando en propiedades muy distintas:
- Una sustancia "pura" está compuesta de sólo un tipo de isómero de una molécula (todas tienen la misma estructura geométrica).
- Los isómeros estructurales tienen la misma fórmula química, pero diferente ordenamiento físico, frecuentemente formando geometrías moleculares alternas con propiedades muy diferentes. Los átomos no están enlazados (conectados) en el mismo orden.
- Los isómeros funcionales son una clase especial de isómeros estructurales, donde ciertos grupos de átomos exhiben un tipo especial de comportamiento, como es un éter o un alcohol.
- Los estereoisómeros pueden tener muchas propiedades físicoquímicas idénticas y, al mismo tiempo, actividad biológica muy diferente. Esto se debe a que poseen la quiralidad que es muy común en los sistemas vivientes. Una manifestación de esta quiralidad es su habilidad para hacer rotar la luz polarizada en direcciones diferentes.
- Protein folding, que concierne a la compleja geometría y diferentes isómeros que las proteínas pueden tener.
La geometría molecular se representa en una pirámide en la cual en la punta inicial hay una molécula de oxígeno con carga negativa, quedando en las otras dos puntas dos moléculas de hidrógeno con carga positiva, que son separadas por un ángulo de 104.5º; el enlace que une los hidrógenos con el oxígeno se llama enlace covalente, y también existe un enlace que une a otra pirámide idéntica a la anteriormente nombrada llamado enlace puente hidrógeno.
Tipos de estructura molecular[editar]
| Tipo de molécula | Forma | Disposición electrónica† | Geometría‡ | Ejemplos |
|---|---|---|---|---|
| AX1En | Molécula diatómica |  | | HF, O2, CO |
| AX2E0 | Lineal |  |  | BeCl2, HgCl2, CO2, PbCl2 |
| AX2E1 | Angular |  |  | NO2−, SO2, O3 |
| AX2E2 | Angular forma "V" |  | | H2O, OF2, SCl2 |
| AX2E3 | Lineal |  | | XeF2, I3− |
| AX3E0 | Trigonal plana |  |  | BF3, CO32−, NO3−, SO3 |
| AX3E1 | Tetraedro piramidal |  |  | NH3, PCl3 |
| AX3E2 | Forma de T |  |  | ClF3, BrF3 |
| AX4E0 | Tetraédrica |  |  | CH4, PO43−, SO42−, ClO4− |
| AX4E1 | Balancín |  |  | SF4 |
| AX4E2 | Cuadrada plana |  |  | XeF4 |
| AX5E0 | Bipirámide trigonal |  | | PCl5 |
| AX5E1 | Pirámide cuadrangular |  |  | ClF5, BrF5 |
| AX6E0 | Octaédrica |  |  | SF6 |
| AX6E1 | Pirámide pentagonal |  |  | XeOF— 5, IOF2- 51 |
| AX7E0 | Bipirámide pentagonal |  |  | IF7 |
mezcla es un material formado por dos o más componentes unidos, pero no combinados químicamente.1 En una mezcla no ocurre una reacción química y cada uno de sus componentes mantiene su identidad y propiedades químicas.1 No obstante, algunas mezclas pueden ser reactivas, es decir, que sus componentes pueden reaccionar entre sí en determinadas condiciones ambientales, como una mezcla aire-combustible en un motor de combustión interna.
Es la combinación física de dos o más sustancias que retienen sus identidades y que se mezclan logrando formar según sea el caso aleaciones, soluciones, suspensiones y coloides.
Son el resultado del mezclado mecánico de sustancias químicas tales como elementos y compuestos, sin que existan enlaces químicos u otros cambios químicos, de forma tal que cada sustancia ingrediente mantiene sus propias propiedades químicas.2 A pesar de que no se producen cambios químicos de sus componentes, las propiedades físicas de una mezcla, tal como por ejemplo su punto de fusión, pueden ser distintas de las propiedades de sus componentes. Algunas mezclas se pueden separar en sus componentes mediante procesos físicos (mecánicos o térmicos), como destilación, disolución, separación magnética, flotación, tamizado, filtración, decantación o centrifugación.3 Los azeótropos son un tipo de mezcla que por lo general requiere de complicados procesos de separación para obtener sus componentes.4
Si después de mezclar algunas sustancias, éstas reaccionan químicamente, entonces no se pueden recuperar por medios físicos, pues se han formado compuestos nuevos.
Las mezclas se clasifican en:5
- Homogéneas.
- Heterogéneas.
Los componentes de una mezcla pueden ser:6
- Sólidos
- Líquidos
- Gaseosos
Mezclas homogéneas[editar]
Son aquellas mezclas de elementos uniformes, sus componentes no se pueden diferenciar a simple vista. Se conocen con el nombre de disoluciones y están constituidas por un soluto y un disolvente.6Por ejemplo, el agua mezclada con sales minerales o con azúcar, el agua es el solvente y la sal el soluto.
Mezclas heterogéneas[editar]
Una mezcla heterogénea es aquella que posee una composición no uniforme en la cual se pueden distinguir fácilmente sus componentes, está formada por dos o más sustancias físicamente distintas, distribuidas en forma desigual. Las partes de una mezcla heterogénea pueden separarse fácilmente.6 Pueden ser gruesas o suspensiones de acuerdo al tamaño de la sustancia.
- Mezclas gruesas: el tamaño de las partículas es apreciable, por ejemplo: las ensaladas, concreto (cemento), etc.
- Suspensiones: las partículas se depositan con el tiempo, por lo general tiene la leyenda "agítese bien antes de utilizar", por ejemplo: medicamentos, aceite con agua, agua con talco etc.
Dispersión coloidal[editar]
En química un coloide, suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema fisicoquímico formado por dos o más fases, principalmente: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas. La fase dispersa es la que se halla proporcionalmente en menor cantidad.8
Suspensión química[editar]
Suspensión se denomina a las mezclas que tienen partículas finas suspendidas en un líquido durante un tiempo y luego se sedimentan. En la fase inicial se puede ver que el recipiente contiene elementos distintos. Se pueden separar por medios físicos. Algunos ejemplos de suspensiones son el engrudo (agua con harina) y la mezcla de agua con aceite.8
Ejemplos de mezclas[editar]
Tal como se indicó previamente las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Una mezcla homogénea es un tipo de mezcla en la cual no se distinguen sus componentes y en la que la composición es uniforme y cada parte de la solución posee las mismas propiedades. Una mezcla heterogénea es un tipo de mezcla en la cual es posible observar los componentes, como el agua y el aceite o las lámparas de lava. El aire es un ejemplo de una mezcla homogénea de las sustancias gaseosas nitrógeno, oxígeno y cantidades menores de otras sustancias. La sal, el azúcar, y numerosas sustancias se disuelven en agua formando mezclas homogéneas.
La tabla a continuación muestra las principales propiedades de las tres familias de mezclas.
| Solución | Coloide | Dispersión gruesa | |
|---|---|---|---|
| Homogeneidad de la mezcla | Homogénea | Homogénea a la vista pero heterogénea bajo un microscopio | Heterogénea |
| Tamaño de la partícula | < 1 nanómetro | entre 1 nanómetro y 1 micrómetro | > 1 micrómetro |
| Estabilidad física | Sí | Sí | No: precisa de agentes estabilizantes |
| Efecto Tyndall | No | Sí | Sí |
| Se separa por centrifugación | No | Sí | Sí |
| Se separa por decantación | No | No | Sí |
La siguiente tabla presenta ejemplos de estos tres tipos de mezclas.
| Fase disuelta o dispersa | Medio continuo | Solución | Coloide | Dispersión gruesa |
|---|---|---|---|---|
| Gas | Gas | mezcla de gases: aire (oxígeno y otros gases en nitrógeno) | Ninguno | Ninguno |
| Líquido | Gas | Ninguno | Aerosoles de partículas líquidas:9 niebla, bruma, vapor, aerosol para el cabello | Aerosol |
| Sólido | Gas | Ninguno | Aerosoles de partículas sólidas:9 humo, nube, partículas en el aire | Aerosol sólido: polvo |
| Gas | Líquido | Solución: oxígeno en agua | Espuma líquida: crema batida, crema de afeitar | Espuma |
| Líquido | Líquido | Solución: bebidas alcohólicas | Emulsión: miniemulsión, microemulsión | Emulsión: leche, mayonesa, crema para las manos |
| Sólido | Líquido | Solución: azúcar en agua | Líquido sol: tinta con pigmentos, sangre | Suspensión: partículas de barro(tierra, arcilla o limo suspendidas en agua), polvo de tiza suspendido en agua |
| Gas | Sólido | Solución: hidrógenoen metales | Espuma sólida: aerogel, Poliestireno extruido, piedra pómez | Espuma: esponja seca |
| Líquido | Sólido | Solución: amalgama(mercurio en oro), hexano en cera parafina | Gel: agar, gelatina, silicagel, ópalo | Esponja mojada |
| Sólido | Sólido | Solución: aleaciones, plastificantes en plásticos | Sol sólido: vidrio rubino oro | Grava, granito |
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