4. GEOMETRIA DE MOLECULAS

INTRODUCCION.

Para el científico ahora parece casi imposible de imaginarse como la ciencia sería si los conceptos de átomo y de la molécula no fuesen introducidos. Sin embargo, al principio de este siglo era absolutamente posible que un buen químico tuviera serias dudas con respecto a la viabilidad de este modelo. La propuesta de la teoría atómica publicada por Dalton en su libro, "A New System of Chemical Philosophy, en 1808, no dejó de recibir objeciones por parte de la comunidad científica de la época. Los químicos como Ostwald desarrollaron estudios sin mencionar inclusive cualquier teoría que pudiese hacer pensar en la posibilidad de la existencia de átomos o de moléculas.

Con los descubrimientos de las radiaciones y de los electrones al final del siglo XIX se hizo posible imaginar y mismo empezar a medir acontecimientos que sugerían la posibilidad de discontinuidad en la materia. El famoso experimento de Rutherford, la hipótesis de la cuantización de la energía por la teoría de la radiación del cuerpo negro de Plank, la confirmación de ésta por el efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton, el principio de dualidad onda-partícula de De Broglie, experimentalmente comprobado por la difracción de los electrones y algunos otros hechos experimentales que fueron resueltos admitiéndose que existía una discontinuidad en la materia y en la energía. El resultado de todas estas informaciones culminó con la creación en 1927 del modelo atómico de Schrödinger.

Con la aceptación de la existencia de los átomos, no fue muy difícil aceptarse la existencia de las moléculas, como entidades que pueden definirse como agrupaciones específicas de átomos, unidos por intensas fuerzas de interacción electrostática. La característica más importante para ser destacada es que cada molécula se comporta como una unidad independiente de la otra, esto es, ella conserva las propiedades del sistema. Este tipo de consideración es bastante viable cuando observamos sistemas gaseosos. Pero, a medida que condensamos la materia, es decir, a medida que hacemos con que las moléculas se encuentren más próximas una de las otras, se intensifican una serie de interacciones inter-moleculares que producen desviaciones en algunas propiedades químicas y físicas con respecto al estado gaseoso.

Dos preguntas aparecen cuando pensamos en las moléculas. La primera corresponda a las fuerzas que mantienen unidos el grupo limitado de átomos, es decir, ¿porqué las moléculas muestran composición atómica constante? La segunda dice al respecto de la necesidad de saber si la distribución de los átomos en la molécula es un factor importante, o en palabras más simples, ¿la geometría molecular representa un papel importante en las propiedades de los sistemas macroscópicos?, importante en las propiedades de los sistemas macroscópicos.

Con el experimento de Rutherford la hipótesis de la naturaleza eléctrica de los átomos fue enfatizada, siendo estos constituidos por partículas con carga positiva, negativa y partículas sin carga. Por consiguiente, las fuerzas de interacción serian de naturaleza eléctrica, lo que contestaría la primera pregunta muy superficialmente.

Para responder a la segunda, utilizaremos algunas informaciones experimentales con las cuales para tener mayor conocimiento de como varían las propiedades macroscópicas con el arreglo geométrico de los átomos, seria necesario que conociéremos las longitudes y ángulos de enlace de cada molécula y en este trabajo, lo que intentaremos mostrar es exactamente como esto es realizado, o mejor, las técnicas experimentales que nos permiten medir esas magnitudes.

GEOMETRIA MOLECULAR.

Si pudiéramos observar las moléculas por dentro con un potente lente, veríamos que los átomos que las conforman se ubican en el espacio en posiciones bien determinadas. El ordenamiento tridimensional de los átomos en una molécula se llama Geometría Molecular.

En una molécula con enlaces covalentes hay pares de electrones que participan en los enlaces o electrones enlazantes, y electrones desapareados, que no intervienen en los enlaces o electrones no enlazantes. La interacción eléctrica que se da entre estos pares de electrones, determina la disposición de los átomos en la molécula.

Veamos algunos ejemplos:

a) La molécula de agua H2O posee dos enlaces simples O - H y tiene dos pares de electrones no enlazantes en el átomo de oxígeno. Su geometría molecular es angular.
b) La molécula de amoníaco (NH3) presenta 3 enlaces simples N - H y posee un par de electrones no enlazantes en el nitrógeno. La geometría molecular es piramidal.
c) La molécula de metano (CH4) tiene cuatro enlaces simples C - H y ningún par de electrones enlazantes. Su geometría molecular es tetraédrica.

¿COMO SE PUEDE SABER LA GEOMETRIA DE UNA MOLECULA?

En la actualidad se emplean diversos métodos experimentales para conocer en forma precisa la estructura de una molécula particular. Pero en ocasiones basta con aplicar algunos métodos sencillos para obtener una geometría molecular aproximada.

Uno de los métodos para predecir la geometría molecular aproximada, está basada en la repuslsión electrónica de la órbita atómica más externa, es decir, los pares de electrones de valencia alrededor de un átomo central se separan a la mayor distancia posible para minimizar las fuerzas de repulsión. Estas repulsiones determinan el arreglo de los orbitales, y estos, a su vez, determinan la geometría molecular, que puede ser lineal, trigonal, tetraédrica, angular y pirámide trigonal.

- Geometría lineal: Dos pares de electrones alrededor de un átomo centarl, localizados en lados opuestos y separdos por un ángulo de 180º.
- Geometría planar trigonal: Tres pares de electrones en torno a un átomo central, separados por un ángulo de 120º.
- Geometría tetraédrica: Cuatro pares de electrones alrededor de un átomo central, ubicados con una separación máxima equivalente a un ángulo de 109,5º.
- Geometría pirámide trigonal: Cuatro pares de electrones en torno a un átomo centra, uno de ellos no compartido, que se encuentran separados por un ángulo de 107º.
- Geometría angular: Cuatro pares de electrones alrededor de un átomo central, con dos de ellos no compartidos, que se distancian en un ángulo de 104,5º.

Al leer todas estas descripciones, vemos que la forma de las moléculas es el resultado de las direcciones en que se ubican los electrones enlazantes. Parece increíble pensar que la forma que tiene una molécula es determinante en la manera como actúa, estableciendo sus propiedades.

La Geometría Molecular o estructura molecular es la disposición tridimensional de los átomos que constituyen una molécula, inferida a partir de estudios espectroscópicos del compuesto químico.

1. La geometría molecular determina varias propiedades de una sustancia, incluyendo su reactividad, polaridad, estado de agregación, color, magnetismo y actividad biológica.
2. Las geometrías moleculares se determinan mejor a temperaturas próximas al cero absoluto porque a temperaturas más altas las moléculas presentarán un movimiento rotacional considerable.

3. En el estado sólido la geometría molecular puede ser medida por Difracción de rayos X.

4. Las geometrías se pueden calcular por procedimientos mecánico cuánticos ab initio o por métodos semiempíricos de modelamiento molecular.

5. Las moléculas grandes a menudo existen en múltiples conformaciones estables que difieren en su geometría molecular y están separadas por barreras altas en la superficie de energía potencial.
6. 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.

Referencias:

- Geometría de Moléculas. Recopilado en Oct. 10, 2008 de:
http://chemkeys.com/esp/md/ede_4/ddeq_1/geomol_9/geomol_9.htm
- Geometría Molecular. Recopilado en Oct. 10, 2008 de:
http://iiquimica.blogspot.com/2006/04/geometra-molecular.html
- Geometría Molecular. Recopilado en Oct. 10, 2008 de:http://es.wikipedia.org/wiki/Geometr%C3%ADa_molecular