miniatura|Representació esquemàtica dels àtoms (boles negres) i els enllaços covalents (barres blanques) d'una molècula de C60, és a dir, un compost format per seixanta àtoms de carboni En química, una molècula (del nou llatí molecula, que és un diminutiu del mot moles, 'massa') és un grup elèctricament neutre d'àtoms units per (enllaços covalents.Unió Internacional de Química Pura i Aplicada: (1994) molecule, Compendium of Chemical Terminology, conegut com a Gold Book. Les molècules es diferencien dels ions poliatòmics.
Una molècula pot consistir en diversos àtoms d'un únic element químic, com en el cas de l'oxigen diatòmic (O_2), o de diferents elements, com en el cas de l'aigua (H_2O). Els àtoms i complexos units per enllaços no covalents com els enllaços d'hidrogen o els enllaços iònics no són molècules.
Les molècules com a components de la matèria són comunes en les substàncies orgàniques (i per tant en la bioquímica). També conformen la major part dels oceans i de l'atmosfera. Però, un gran nombre de substàncies sòlides familiars, que inclouen la major part dels minerals que componen l'escorça, i el mantell de la Terra, no estan formats per molècules.
Etimologia La paraula moderna molècula és del 1864, i és un diminutiu savi modern del llatí mōlēs, que significa 'massa, volum'.
Grandària La majoria de les molècules són massa petites per ser vistes a ull nu, però hi ha excepcions. La macromolècula d'ADN, així com altres polímers, poden arribar a tenir mides macroscòpiques. Les molècules que normalment s'utilitzen com a blocs constituents en síntesi orgànica tenen una dimensió que va d'uns pocs Å a unes dotzenes. Les molècules més grans són anomenades macromolècules.
La molècula més petita és el dihidrògen (H_2) que té un enllaç de 0,74 Å. La molècula amb el diàmetre més gran és la sílica mesoporosa, amb 1.000 Å (100 nm).
Estructura Les molècules es componen d'electrons i nuclis atòmics. La ubicació d'aquests últims en la molècula en determina la fórmula desenvolupada (a partir de la qual se'n fa la fórmula química). Les molècules de proteïnes i determinats compostos sintètics poden contenir centenars de milers d'àtoms. Les macromolècules són un cas a part.
Les molècules són l'objecte d'estudi de la teoria de l'estructura molecular i la química quàntica. Aquesta última es basa en els descobriments de la física quàntica, incloent-hi els seus aspectes relativistes. Una altra disciplina emergent és el disseny de molècules. Per a determinar l'estructura d'una molècula, la ciència actual disposa d'una gran varietat d'eines: l'espectroscòpia electrònica, l'espectroscòpia vibratòria, la ressonància magnètica nuclear, la ressonància paramagnètica electrònica i moltes d'altres, tot i que els únics mètodes d'observació directa són els que es basen en la difracció, com ara la difracció de rajos X i la difracció de neutrons.
Interaccions intramoleculars Les interaccions intramoleculars són les forces que actuen entre àtoms d'una mateixa molècula i els mantenen units.
La naturalesa dels enllaços químics de les molècules va ser un misteri fins a l'arribada de la mecànica quàntica, ja que la física clàssica era incapaç d'explicar la saturació i direcció dels enllaços de valència. Els fonaments de la teoria dels enllaços químics van ser posats el 1927 per Walter Heitler i Fritz London, basant-se en la molècula més senzilla, la H₂. Des d'aleshores, tant la teoria com els mètodes per a estudiar-la han millorat molt.
Aquests són alguns exemples d'enllaços intramoleculars:
enllaços covalents: existeixen entre àtoms no metàl·lics. Per exemple, els àtoms de carboni i oxigen del diòxid de carboni (CO₂) estan units per enllaços covalents, enllaços iònics: existeixen entre àtoms no metàl·lics i metàl·lics. Per exemple, els àtoms de sodi i clor del clorur de sodi (NaCl) estan units per enllaços iònics, enllaços metàl·lics: existeixen entre àtoms metàl·lics. Per exemple, els àtoms de coure que formen una planxa d'aquest material estan units per enllaços metàl·lics.
Els enllaços químics que formen les molècules de la immensa majoria de compostos orgànics són covalents. En els compostos inorgànics, hi ha enllaços iònics i de donador-acceptor, que resulten de la interacció entre un parell d'electrons dels àtoms. L'energia de formació de les molècules a partir d'àtoms és aproximadament additiva. Això vol dir que es pot assumir que l'energia de les molècules és igual a la suma de les energies dels seus enllaços.
Tanmateix, no sempre és així. Un exemple de molècules que no compleixen la regla de l'additivitat són les molècules orgàniques planes amb enllaços conjugats, és a dir, amb una alternança d'enllaços simples i enllaços múltiples. La forta deslocalització dels estats p dels electrons estabilitza la molècula.
En la majoria de casos, l'espín total dels electrons de valència d'una molècula és zero. Les molècules amb electrons no aparellats (radicals lliures com ara l'hidrogen monoatòmic o el grup metil, CH₃) solen ser inestables, ja que quan interaccionen es produeix una reducció important d'energia a causa de la formació d'enllaços covalents.
Interaccions intermoleculars
La interacció intermolecular és la interacció entre molècules de càrrega neutra en l'espai. La naturalesa de les interaccions intermoleculars varia segons la polaritat química. No se'n va saber gaire cosa fins a l'emergència de la mecànica quàntica.
Les forces intermoleculars són febles en comparació amb les intramoleculars. Per exemple, l'enllaç covalent present en les molècules de clorur d'hidrogen (HCl) és molt més fort que les forces presents entre les molècules veïnes, quan les molècules estan prou a prop les unes de les altres.
Les interaccions intermoleculars d'orientació es produeixen entre les molècules polars, és a dir, les que tenen el seu propi moment de dipol. La interacció dels moments de dipol determina com serà la força resultant: atracció o repulsió. Si els moments de dipol de les molècules estan configurats en línia de les molècules, s'intensifica.
Les interaccions intermoleculars de tipus inductiu es produeixen entre una molècula polar i una de no polar. En aquest tipus d'interacció, la molècula polar polaritza la molècula no polar. La càrrega elèctrica de la molècula polar distorsiona el núvol d'electrons de la molècula no polar. En general, la càrrega positiva es mou en la direcció del camp elèctric i la negativa en la direcció contrària.
Hi ha quatres tipus diferents de forces intermoleculars atractives:
Forces de dipol-dipol: interaccions electroestàtiques entre els dipols permanents de les molècules. Forces de dipol-dipol induït, o forces de Debye: la interacció atractiva entre el multipol permanent d'una molècula i un multipol induït (pel primer dipol o multipol) d'una altra. Forces de dipol instantani-dipol induït, o forces de dispersió de London: forces provocades pels moviments correlacionats dels electrons de molècules que interaccionen. Forces de ió-dipol: vegeu a continuació.
Les forces de ió-dipol i ió-dipol induït funcionen en gran manera com les interaccions de dipol-dipol i dipol-dipol induït. Tanmateix, les forces de ió-dipol es produeixen entre ions, en lloc de només molècules polars o no polars. Les forces de ió-dipol són més fortes que les interaccions de dipols perquè la càrrega d'un ió és molt superior a la d'un moment de dipol. Els enllaços de ió dipol són més forts que els enllaços d'hidrogen. Una força de ió-dipol consisteix en la interacció d'un ió i una molècula polar, que s'alineen de manera que les forces positives i negatives són adjacents, cosa que maximitza l'atracció. Una força de ió-dipol induït consisteix en la interacció d'un ió i una molècula no polar. Igual que en una força de dipol-dipol induït, la càrrega de l'ió provoca una distorsió en el núvol d'electrons de la molècula no polar.
Propietats elèctriques i òptiques El comportament de la matèria en un camp elèctric és determinat per les propietats elèctriques bàsiques de les molècules que la conformen: un moment de dipol permanent i la polaritzabilitat.
El moment de dipol és un desequilibri del «centre de gravetat» de les càrregues positives i negatives d'una molècula (és a dir, l'asimetria elèctrica de la molècula). Les molècules amb centre de simetria, com ara la H₂, manquen de moment de dipol permanent, i viceversa.
La polaritzabilitat és la capacitat de la capa d'electrons d'una molècula de moure's sota la influència d'un camp elèctric, resultant en un moment de dipol induït. El valor del moment de dipol i la polaritzabilitat es poden mesurar experimentalment gràcies a la constant dielèctrica. La polaritzabilitat és una propietat de la matèria, determina la resposta dinàmica d'un sistema enllaçat a camps externs i proporciona informació sobre l'estructura interna de les molècules.
Les propietats òptiques d'un material són determinades pel seu comportament en el camp elèctric alternant d'una ona de llum i la polaritzabilitat de les seves molècules. Com que la polaritzabilitat està directament relacionada amb la refracció i difusió de la llum, l'activitat òptica i altres fenòmens similars són estudiats per l'òptica molecular.
Propietats magnètiques Les molècules i macromolècules de la majoria de compostos químics són diamagnètiques. La susceptibilitat de molècules (χ) a formar orgànics compostos es pot expressar com a suma dels enllaços individuals de χ.
Les molècules amb moment magnètic permanent són paramagnètiques. És el cas de la majoria d'elements i alguns compostos. En són exemples les molècules amb un nombre senar d'electrons a la capa externa (com ara l'NO i els radicals lliures) i les molècules amb àtoms que tenen una capa interna incompleta (metalls de transició, etc.).
Espectres i estructures moleculars Les propietats elèctriques, òptiques, magnètiques i d'altres tipus de les molècules estan relacionades amb les funcions d'ona i energia dels diferents estats de les molècules. Els espectres moleculars proporcionen informació sobre l'estat de les molècules.
Les freqüències de vibració dels espectres estan determinades per la massa dels àtoms, la seva ubicació i la dinàmica de les interaccions interatòmiques. Les freqüències depenen del moment d'inèrcia de les molècules, tal com el determina l'espectroscòpia. El nombre total de línies i bandes de l'espectre de vibració d'una molècula depèn de les seves simetries.
Química, física i biologia El concepte de molècula és essencial per a la química, i gran part de la informació sobre l'estructura i funcionament de les molècules és gràcies a la investigació química. L'estructura molecular depèn de les reaccions químiques, i viceversa, ja que l'estructura molecular pot determinar el curs i el resultat de les reaccions.
L'estructura i les propietats d'una molècula són determinades per als fenòmens físics que estudia la física molecular. En física, el concepte de molècula es fa servir per a explicar les propietats dels gasos, líquids i sòlids. La mobilitat d'una molècula depèn de la seva difusió, viscositat, conductivitat tèrmica, etc. La primera prova experimental directa de l'existència de les molècules va ser obtinguda pel físic francès Jean Perrin el 1906 durant el seu estudi del moviment brownià.
Com que tots els éssers vius existeixen gràcies a un delicat equilibri de reaccions químiques i no químiques entre les molècules que els componen, l'estudi de l'estructura i les propietats de les molècules és d'una importància capital per la biologia i la ciència en general.
Els avenços en biologia, química i física molecular han conduït a l'emergència de la biologia molecular, que estudia els fonaments de la vida basant-se en l'estructura i propietats de les molècules biològicament funcionals.
Tipus de molècules Segons el nombre d'àtoms les molècules es classifiquen en: Molècules discretes. Les constituïdes per un nombre ben definit i en general petit d'àtoms.