Ver el código de «Molécula»

{{otros usos|Molécula (desambiguación)|otros términos similares}}
[[Archivo: C60-rods.png |miniatura|150px|Representación esquemática de los átomos (bolas negras) y los enlaces moleculares (barras blancas-grises) de una molécula de  [[Fullereno]] C<sub>60</sub>, es decir, una sustancia elemental formada por sesenta átomos de [[carbono]].]]
[[File:PTCDA AFM.jpg|thumb|Imagen en un  [[microscopio de fuerza atómica]] (AFM) de una molécula de PTCDA, en la que son visibles los cinco anillos de seis carbonos.<ref>{{cite journal|doi=10.1038/ncomms8766|pmid=26178193|pmc=4518281|title=Chemical structure imaging of a single molecule by atomic force microscopy at room temperature|journal=Nature Communications|volume=6|page=7766|year=2015|last1=Iwata|first1=Kota|last2=Yamazaki|first2=Shiro|last3=Mutombo|first3=Pingo|last4=Hapala|first4=Prokop|last5=Ondráček|first5=Martin|last6=Jelínek|first6=Pavel|last7=Sugimoto|first7=Yoshiaki|bibcode= 2015NatCo...6.7766I}}</ref>]]
[[File:Pentacene on Ni(111) STM.jpg|thumb|Una imagen de [[Microscopio de efecto túnel| microscopía de túnel de barrido]] de moléculas de [[pentaceno]], que consisten en cadenas lineales de cinco anillos de carbono.<ref>{{cite journal|doi=10.1039/C4NR07057G|pmid=25619890|title=Pentacene on Ni(111): Room-temperature molecular packing and temperature-activated conversion to graphene|journal=Nanoscale|volume=7|issue=7|pages=3263–9|year=2015|last1=Dinca|first1=L.E.|last2=De Marchi|first2=F.|last3=MacLeod|first3=J.M.|last4=Lipton-Duffin|first4=J.|last5=Gatti|first5=R.|last6=Ma|first6=D.|last7=Perepichka|first7=D.F.|last8=Rosei|first8=F.|author-link7=Dmitrii Perepichka|bibcode= 2015Nanos...7.3263D}}</ref>]]
[[File:TOAT AFM.png|thumb|Imagen AFM de 1,5,9-trioxo-13-azatrianguleno y su estructura química.<ref>{{cite journal|doi=10.1038/ncomms11560|pmid=27230940|pmc=4894979|title=Mapping the electrostatic force field of single molecules from high-resolution scanning probe images|journal=Nature Communications|volume=7|pages=11560|year=2016|last1=Hapala|first1=Prokop|last2=Švec|first2=Martin|last3=Stetsovych|first3=Oleksandr|last4=Van Der Heijden|first4=Nadine J.|last5=Ondráček|first5=Martin|last6=Van Der Lit|first6=Joost|last7=Mutombo|first7=Pingo|last8=Swart|first8=Ingmar|last9=Jelínek|first9=Pavel|bibcode=2016NatCo...711560H}}</ref>]]

En [[química]], una '''molécula''' (del [[nuevo latín]] ''molecula'', que es un diminutivo de la palabra ''moles'', '[[masa]]') es un grupo [[carga eléctrica|eléctricamente]] [[neutro]] y suficientemente estable de al menos dos [[átomos]] en una configuración definida, unidos por [[enlace químico|enlaces químicos]] fuertes [[enlace covalente|covalentes]].<ref name = "IUPAC"> [[Unión Internacional de Química Pura y Aplicada]]: (1994) [http://goldbook.iupac.org /M04002.html molecule], ''[[Compendium of Chemical Terminology]]'', conocido como ''Gold Book''. </ref><ref> {{cita libro | autor = Pauling, Linus | título = General Chemistry | ubicación = Nueva&nbsp;York | editorial = Dover Publications, Inc. | año = 1970 | isbn = 0-486-65622-5 | url = https://archive.org/details/generalchemistry00paul_0 }} </ref><ref> {{cita libro | autor = Ebbin, Darrell, D. | título = General Chemistry, 3th Ed. | ubicación = Boston | editorial = Houghton Mifflin Co. | año = 1990 | isbn = 0-395-43302-9}} </ref><ref> {{Cita libro | autor = Brown, T. L. | título = Chemistry - the Central Science, 9th Ed. | url = https://archive.org/details/studentlectureno00theo | lugar = Nueva Jersey | editorial = Prentice Hall | año = 2003 | ISBN = 0-13-066997-0 }} </ref><ref> {{Cita libro | autor = Chang, Raymond | título = Chemistry, 6th Ed. | url = https://archive.org/details/chemistry00chan_0 | lugar = Nueva York | editorial = McGraw Hill | año = 1998 | ISBN = 0-07-115221-0 }} </ref><ref> {{Cita libro | autor = Zumdahl, Steven S. | título = Chemistry, 4th ed. | lugar = Boston | editorial = Houghton Mifflin | año = 1997 | ISBN = 0-669-41794-7 }} </ref>

En este estricto sentido, las moléculas se diferencian de los [[Ion poliatómico|iones poliatómicos]]. En la [[química orgánica]] y la [[bioquímica]], el término "molécula" se utiliza de manera menos estricta y se aplica también a los [[Compuesto orgánico|compuestos orgánicos]] (moléculas orgánicas) y en las [[biomoléculas]].

Antes, se definía la molécula de forma menos general y precisa, como la más pequeña parte de una [[Sustancia química|sustancia]] que podía tener existencia independiente y estable conservando aún sus propiedades fisicoquímicas. De acuerdo con esta definición, podían existir moléculas monoatómicas. En la [[teoría cinética]] de los [[gas]]es, el término ''molécula'' se aplica a cualquier partícula gaseosa con independencia de su composición. De acuerdo con esta definición, los [[átomos]] de un [[gas noble]] se considerarían moléculas aunque se componen de átomos no enlazados.<ref> {{cita libro | título = Comprehensive Inorganic Chemistry | apellido = Chandra | nombre = Sulekh | editorial = Nueva Era Publishers | isbn = 8122415121 }} </ref>

Una molécula puede consistir en varios átomos de un único [[elemento químico]], como en el caso del [[oxígeno]] diatómico (O<sub>2</sub>),<ref>{{Cita libro|apellidos=Thibodeau|nombre=Gary A.|título=Estructura y función del cuerpo humano|url=https://books.google.es/books?id=3tdLbY3FA4AC&pg=PA25&dq=mol%C3%A9cula+varios+%C3%A1tomos+%C3%BAnico+elemento+qu%C3%ADmico&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwjInpeVmo_ZAhVKbhQKHTLjAPIQ6AEIJzAA#v=onepage&q=mol%C3%A9cula%20varios%20%C3%A1tomos%20%C3%BAnico%20elemento%20qu%C3%ADmico&f=false|fechaacceso=5 de febrero de 2018|fecha=2008-06|editorial=Elsevier España|isbn=9788480863551|idioma=es|apellidos2=Patton|nombre2=Kevin T.}}</ref> o de diferentes elementos, como en el caso del [[agua]] (H<sub>2</sub>O).<ref>{{Cita libro|apellidos=Vaquerizo|nombre=Dulce María Andrés|título=Ciencias aplicadas a la actividad profesional 4º ESO|url=https://books.google.es/books?id=yA7-CwAAQBAJ&pg=PA45&dq=mol%C3%A9cula+varios+%C3%A1tomos+de+diferentes+elementos&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwiz793Emo_ZAhWGtxQKHZeOCScQ6AEIJzAA#v=onepage&q=mol%C3%A9cula%20varios%20%C3%A1tomos%20de%20diferentes%20elementos&f=false|fechaacceso=5 de febrero de 2018|fecha=2016|editorial=Editex|isbn=9788490788097|idioma=es}}</ref> Los átomos y complejos unidos por enlaces no covalentes como los [[Enlace de hidrógeno|enlaces de hidrógeno]] o los [[Enlace iónico|enlaces iónicos]] no se suelen considerar como moléculas individuales.

Las moléculas como componentes de la materia son comunes en las sustancias orgánicas (y por tanto en la [[bioquímica]]). También conforman la mayor parte de los [[Océano|océanos]] y de la [[atmósfera terrestre|atmósfera]]. Sin embargo, un gran número de sustancias sólidas familiares, que incluyen la mayor parte de los [[mineral]]es que componen la [[Corteza terrestre|corteza]], el [[Manto terrestre|manto]] y el [[Núcleo de la Tierra|núcleo]] de la [[Tierra]], contienen muchos enlaces químicos, pero no están formados por moléculas. Además, ninguna molécula típica puede ser definida en los [[Red de Bravais|cristales]] iónicos ([[Sal (química)|sales]]) o en cristales covalentes, aunque estén compuestos por [[Celda fundamental|celdas unitarias]] que se repiten, ya sea en un plano (como en el [[grafito]]) o en tres dimensiones (como en el [[diamante]] o el [[cloruro de sodio]]). Este sistema de repetir una estructura unitaria varias veces también es válida para la mayoría de las [[Estado de la materia|fases condensadas]] de la [[materia]] con [[Enlace metálico|enlaces metálicos]], lo que significa que los metales sólidos tampoco están compuestos por moléculas. En el [[vidrio]] (sólidos que presentan un estado vítreo desordenado), los átomos también pueden estar unidos por enlaces químicos sin que se pueda identificar ningún tipo de molécula, pero tampoco existe la regularidad de la repetición de unidades que caracteriza a los [[cristal]]es.

Casi toda la [[química orgánica]] y buena parte de la [[química inorgánica]] se ocupan de la [[síntesis química|síntesis]] y [[reactividad]] de moléculas y [[compuesto químico|compuestos moleculares]]. La [[química física]] y, especialmente, la [[química cuántica]] también estudian, cuantitativamente, en su caso, las propiedades y [[reacción química|reactividad]] de las moléculas. La [[bioquímica]] está íntimamente relacionada con la [[biología molecular]], ya que ambas estudian a los seres vivos a nivel molecular. El estudio de las interacciones específicas entre moléculas, incluyendo el [[Fuerza intermolecular|reconocimiento molecular]] es el campo de estudio de la [[química supramolecular]]. Estas fuerzas explican las propiedades físicas como la [[solubilidad]] o el [[punto de ebullición]] de un compuesto molecular.<ref>{{cite encyclopedia|title= Molecule|encyclopedia=[[Encyclopædia Britannica]]|date =2016-01-22|url=http://global.britannica.com/science/molecule|access-date=2016-02-23}}</ref>

Las moléculas rara vez se encuentran sin interacción entre ellas, salvo en gases enrarecidos y en los [[gas noble|gases nobles]]. Así, pueden encontrarse en [[red cristalina|redes cristalinas]], como el caso de las moléculas de H<sub>2</sub>O en el hielo o con interacciones intensas, pero que cambian rápidamente de direccionalidad, como en el agua líquida. En orden creciente de intensidad, las fuerzas intermoleculares más relevantes son: las [[fuerzas de Van der Waals]] y los [[puentes de hidrógeno]].

La [[dinámica molecular]] es un método de simulación por computadora que utiliza estas fuerzas para tratar de explicar las propiedades de las moléculas.

No se puede definir una molécula típica para [[Sal (química)| sales]] ni para [[cristales covalentes]], aunque estos a menudo se componen de células unitarias repetidas que se extienden en un plano, por ejemplo, el [[grafeno]] ; o tridimensionalmente, por ejemplo, el [[diamante]], el [[cuarzo]], o el [[cloruro de sodio]]. El tema de la estructura celular unitaria repetida también se aplica a la mayoría de los metales que son fases condensadas con enlaces metálicos. Por tanto, los metales sólidos no están hechos de moléculas.

En los vidrios, que son sólidos que existen en un estado vítreo desordenado, los átomos se mantienen unidos por enlaces químicos sin presencia de ninguna molécula definible, ni ninguna de la regularidad de la estructura celular unitaria repetida que caracteriza a las sales, cristales covalentes y rieles.

== Ciencia molecular ==

La ciencia de las moléculas se denomina ''química molecular'' o ''[[física molecular]]'', dependiendo de si se centra en la química o en la física. La química molecular se ocupa de las leyes que rigen la interacción entre las moléculas que da lugar a la formación y ruptura de [[enlaces químicos]], mientras que la física molecular se ocupa de las leyes que rigen su estructura y propiedades. En la práctica, sin embargo, esta distinción es imprecisa. En las ciencias moleculares, una molécula consiste en un sistema estable ([[estado ligado]]) compuesto por dos o más [[átomos]]. Los [[iones poliatómicos]] pueden considerarse a veces como moléculas cargadas eléctricamente. El término ''molécula inestable'' se utiliza para especies muy [[reactivas (química)|reactivas]], es decir, conjuntos de corta duración ([[Resonancia (química)|resonancias]]) de electrones y [[núcleo atómico|núcleos]], como [[radical (química)|radicales]], [[iones]] moleculares, [[moléculas de Rydberg]], [[estados de transición]], [[enlaces de van der Waals|complejos de van der Waals]], o sistemas de átomos en colisión como en el [[condensado de Bose-Einstein]].
== Historia y etimología ==
{{Main|Historia de la teoría molecular}}

Según la Real Academia Española el vocablo «molécula» deriva del [[latín]] ''moles'' 'mole' o 'masa' y el sufijo diminutivo -''ula'' 'masa pequeña'.<ref>{{cita web|título=molécula|url=https://dle.rae.es/mol%C3%A9cula|obra=RAE}}</ref>
* '''Molécula''' (1794)&nbsp;- «partícula extremadamente diminuta», del francés ''{{linktext|molécule}}'' (1678), del [[Nuevo Latín]] ''{{linktext|molecula}}'', diminutivo del latín ''{{linktext|moles}}'' ''masa, barrera''. Un significado vago al principio; la moda de la palabra (utilizada hasta finales del {{siglo|XVIII||s}} solo en forma latina) se remonta a la filosofía de [[René Descartes|Descartes]].<ref>{{OEtymD|molécula|fecha de acceso=2016-02-22}}</ref><ref>{{Cita enciclopedia|title=molecule|url=http://www.merriam-webster.com/dictionary/molecule|dictionary=[[Merriam-Webster]]|fecha de acceso=|enciclopedia=|fechaacceso=22 de febrero de 2016}}</ref>

La definición de molécula ha ido evolucionando a medida que ha aumentado el conocimiento de la estructura de las moléculas. Las definiciones anteriores eran menos precisas, y definían las moléculas como las [[lista de partículas#Moléculas|partículas]] más pequeñas de [[sustancia química]]s puras que aún conservan su [[compuesto químico|composición]] y sus propiedades químicas.<ref>[http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/glossary/m.shtml#molecule Molecule Definition] {{Wayback|url=http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/glossary/m.shtml#molecule|date=20141013143129}} ([[Frostburg State University]])</ref> Esta definición a menudo se rompe ya que muchas sustancias en la experiencia ordinaria, como [[roca (geología)|rocas]], [[sal (química)|sales]], y [[metal]]es, se componen de grandes redes cristalinas de átomos de [[enlace químico]] o [[ion]]es, pero no están hechas de moléculas discretas.

== Definición y sus límites ==

De manera menos general y precisa, se ha definido molécula como la parte más pequeña de una [[sustancia química]] que conserva sus propiedades químicas, y a partir de la cual se puede reconstituir la sustancia sin [[reacción química|reacciones químicas]]. De acuerdo con esta definición, que resulta razonablemente útil para aquellas sustancias puras constituidas por moléculas, podrían existir las "moléculas monoatómicas" de [[Gas noble|gases nobles]], mientras que las [[red cristalina|redes cristalinas]], [[sal]]es, [[metal]]es y la mayoría de [[vidrio]]s quedarían en una situación confusa.

Las moléculas [[lábil]]es pueden perder su consistencia en tiempos relativamente cortos, pero si el [[tiempo de vida medio]] es del orden de unas pocas [[vibración molecular|vibraciones moleculares]], estamos ante un estado de [[Intermedio de reacción|transición]] que no se puede considerar molécula. Actualmente, es posible el uso de [[láser pulsado]] para el estudio de la química de estos sistemas.

Las entidades que comparten la definición de las moléculas, pero tienen carga eléctrica se denominan '''[[ion poliatómico|iones poliatómicos]]''', '''iones moleculares''' o '''moléculas ion'''. Las sales compuestas por iones poliatómicos se clasifican habitualmente dentro de los materiales de base molecular o materiales moleculares.
[[Archivo:Molecula d'aigua.png|miniaturadeimagen|Ejemplo de molécula poliatómica: el agua]]
Las moléculas están formadas por partículas. Una molécula viene a ser la porción de materia más pequeña que aún conserva las propiedades de la materia original. Las moléculas se encuentran fuertemente enlazadas con la finalidad de formar materia. Las moléculas están formadas por átomos unidos por medio de [[Enlace químico|enlaces químicos]].

Una molécula es una unidad de sustancia que puede ser monoatómica o poliatómica. La unidad de todas las sustancias gaseosas es la molécula.<ref>{{Cita libro|apellidos=Ocampo, Dapueto, Piovano|nombre=|enlaceautor=|título=Química General|url=|fechaacceso=|año=2009|editorial=Ediciones UNL|isbn=978-987-508-965-5|editor=Universidad Nacional del Litoral|ubicación=Santa Fé, Argentina|página=9|idioma=Español|capítulo=1}}</ref>

== Tipos de moléculas ==
Las moléculas se pueden clasificar en:

* '''Moléculas discretas:''' constituidas por un número bien definido de átomos, sean estos del mismo elemento (moléculas homonucleares, como el dinitrógeno o el fullereno) o de elementos distintos (moléculas heteronucleares, como el agua).

<gallery class="center">
Archivo: Nitrogeno_-Molecular-.jpg|Molécula de dinitrógeno, el [[gas]] que es el componente mayoritario del [[aire]]
Archivo: C60-rods.png|Molécula de [[fullereno]], tercera forma estable del [[carbono]] tras el [[diamante]] y el [[grafito]]
Archivo: Water molecule 3D.svg|[[Molécula de agua]], «disolvente universal», de importancia fundamental en innumerables procesos bioquímicos e [[industria]]les
Archivo: Phosphotungstate-3D-polyhedra.png|Representación poliédrica del anión de Keggin, un [[polioxometalato|polianión]] molecular
</gallery>

* '''Macromoléculas''' o '''polímeros:''' constituidas por la repetición de una unidad comparativamente simple —o un conjunto limitado de dichas unidades— y que alcanzan [[peso molecular|pesos moleculares]] relativamente altos.

<gallery class="center">
Archivo: DNA_Overview2.png|Representación de un fragmento de [[ADN]], un polímero de importancia fundamental en la [[genética]]
Archivo: Peptide_bond.png|[[Enlace peptídico]] que une los [[péptidos]] para formar [[proteína]]s
Archivo: Polyethylene-3D-vdW.png|Representación de un fragmento lineal de [[polietileno]], el [[plástico]] más usado
Archivo: Dendrimer_ChemEurJ_2002_3858.jpg|Primera generación de un [[dendrímero]], un tipo especial de polímero que crece de forma [[fractal]]
</gallery>

== Enlaces == 
Los [[átomo]]s que forman las moléculas se mantienen juntos mediante [[enlaces covalentes]] o [[enlace iónico|enlaces iónicos]]. Varios tipos de [[elementos no metálicos]] existen solo como moléculas en el medio ambiente. Por ejemplo, el [[hidrógeno]] solo existe como molécula de hidrógeno. Una molécula de un compuesto está formada por dos o más elementos.<ref>{{cite book|title=The Hutchinson unabridged encyclopedia with atlas and weather guide|publisher=Oxford, England|oclc=696918830}}</ref> Una [[molécula homonuclear]] está formada por dos o más átomos de un solo elemento.

Mientras que algunas personas dicen que un cristal metálico puede considerarse una sola molécula gigante unida por [[enlace metálico|enlaces metálicos]],<ref>
Harry B. Gray.
''Chemical Bonds: An Introduction to Atomic and Molecular Structure''.
1994.
[https://authors.library.caltech.edu/105209/15/TR000574_06_chapter-6.pdf "Chapter 6: Bonding in Solids"].
p. 210-211.
</ref> otros señalan que los metales actúan de manera muy diferente a las moléculas.<ref>
[https://phys.org/news/2015-04-gold-atoms-metal.html "How many gold atoms make gold metal?"].
</ref>

=== Covalente ===
{{AP|Enlace covalente}}[[File:Covalent bond hydrogen.svg|thumb|right|Un enlace covalente que forma H<sub>2</sub> (derecha) donde dos átomos de hidrógeno comparten los dos electrones.]]

Un [[enlace covalente]] es un [[enlace químico]] que implica el intercambio de pares de [[electron]]es entre átomos. Estos pares de electrones se denominan ''pares compartidos'' o ''pares de enlace'', y el equilibrio estable de fuerzas atractivas y repulsivas entre átomos, cuando comparten electrones, se denomina ''enlace covalente''.<ref>{{cite book| author2= Brad Williamson| author3= Robin J. Heyden| last= Campbell| first= Neil A.| title= Biology: Exploring Life| url= http://www.phschool.com/el_marketing.html| access-date= 2012-02-05| year= 2006| publisher= [[Pearson Prentice Hall]]| location= Boston| isbn= 978-0-13-250882-7}}</ref>

=== Iónico ===
{{AP|Enlace iónico}}[[File:NaF.gif|thumb|left|El [[sodio]] y el [[flúor]] experimentan una [[reacción redox]] para formar [[fluoruro de sodio]]. El sodio pierde su electrón externo para adoptar una configuración electrónica estable, y este electrón entra en el átomo de flúor en forma exotérmica.]]

El [[enlace iónico]] es un tipo de enlace químico que implica la [[atracción electrostática]] entre iones con [[carga eléctrica]] opuesta y es la interacción principal que se produce en los compuestos iónicos. Los iones son átomos que han perdido uno o más electrones (denominados [[cation]]es) y átomos que han ganado uno o más electrones (denominados [[anion]]es).<ref>{{Cite book|url=https://books.google.com/books?id=6VdROgeQ5M8C&q=ionic+bonding+-wikipedia&pg=PA7|title=Elements of Metallurgy and Engineering Alloys|last=Campbell|first=Flake C.|year=2008|publisher=[[ASM International]]|isbn=978-1-61503-058-3|language=en}}</ref> Esta transferencia de electrones se denomina [[electrovalencia]] en contraste con la covalencia. En el caso más simple, el catión es un átomo de metal y el anión es un átomo no  metálico, pero estos iones pueden ser de naturaleza más complicada, por ejemplo, iones moleculares como NH<sub>4</sub><sup>+</sup> o SO<sub>4</sub> <sup>2−</sup>.

A temperaturas y presiones normales, la unión iónica crea principalmente [[sólido]]s (u ocasionalmente [[líquido]]s) sin moléculas identificables separadas, pero la [[vaporización]]/[[sublimación]] de tales materiales produce pequeñas moléculas separadas donde los electrones aún se transfieren lo suficiente como para que los enlaces se consideren iónicos en lugar de covalentes.

== Descripción ==
La estructura molecular puede ser descrita de diferentes formas. La [[fórmula molecular]] es útil para moléculas sencillas, como H<sub>2</sub>O para el [[agua]] o NH<sub>3</sub> para el [[amoniaco]]. Contiene los [[símbolo químico|símbolos]] de los elementos presentes en la molécula, así como su proporción indicada por los subíndices.

Para moléculas más complejas, como las que se encuentran comúnmente en [[química orgánica]], la fórmula química no es suficiente, y vale la pena usar una [[fórmula estructural]] o una [[fórmula esqueletal]], las que indican gráficamente la disposición espacial de los distintos [[grupo funcional|grupos funcionales]].

Cuando se quieren mostrar variadas propiedades moleculares, o se trata de sistemas muy complejos como [[proteína]]s, [[ADN]] o [[polímero]]s, se utilizan representaciones especiales, como los modelos tridimensionales (físicos o representados por ordenador). En proteínas, por ejemplo, cabe distinguir entre estructura primaria (orden de los aminoácidos), secundaria (primer plegamiento en hélices, hojas, giros…), terciaria (plegamiento de las estructuras tipo hélice/hoja/giro para dar glóbulos) y cuaternaria (organización espacial entre los diferentes glóbulos).

<div style="text-align:center;">[[Archivo:Atisane3.png|centrado|''Figura 1. '' Representaciones de la [[terpenoide]], [[atisano]], [[modelo geométrico en 3D|3D]] (centro izquierda) y [[fórmula esqueletal|2D]] (derecha). En el modelo 3D de la izquierda, los átomos de [[carbono]] están representados por esferas azules; las blancas representan a los átomos de [[hidrógeno]] y los cilindros representan los enlaces. El modelo es una representación de la superficies molecular, coloreada por áreas de [[carga eléctrica]] positiva (rojo) o negativa (azul). En el modelo 3D del centro, las esferas azul claro representan átomos de carbono, las blancas de hidrógeno y los cilindros entre los átomos son los [[Enlace químico|enlaces simples]].]]</div>

== Moléculas en la teoría cuántica ==

La [[mecánica clásica]] y el [[electromagnetismo]] clásico no podían explicar la existencia y estabilidad de las moléculas, ya que de acuerdo con sus ecuaciones una carga eléctrica acelerada emitiría radiación por lo que los electrones necesariamente perderían energía cinética por radiación hasta caer sobre el [[núcleo atómico]]. La [[mecánica cuántica]] proveyó el primer modelo cualitativamente correcto que además predecía la existencia de átomos estables y proporcionaba explicación cuantitativa muy aproximada para fenómenos empíricos como los [[Espectro de emisión|espectros de emisión característicos]] de cada elemento químico.

En mecánica cuántica una molécula o un ion poliatómico se describe como un sistema formado por <math>N</math> electrones de masa <math>m</math> y <math>M</math> núcleos de masas <math>m_j</math>. En mecánica cuántica las interacciones físicas de estos elementos se presentan por un [[hamiltoniano cuántico]], cuyos [[autovalor]]es serán las energías permitidas del sistema y cuyas [[Vector propio y valor propio|autofunciones]] describirán los [[orbital molecular|orbitales moleculares]] de la molécula, y de esos objetos se podrán deducir las propiedades químicas de la molécula. En lo que sigue se designará mediante ''e'', la carga de cada electrón, mientras que la de cada núcleo, con <math>Z_j</math> protones, será <math>Z_je</math>. Para estudiar este sistema es necesario analizar el siguiente [[hamiltoniano cuántico]]:
{{ecuación|
<math>\hat{H}_{mol} = - \sum_{j=1}^N \frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2_{x_j}
- \sum_{j=1}^M \frac{\hbar^2}{2m_j}\nabla^2_{y_j} + V(x,y) </math>
|1|left}}
definido sobre el espacio de funciones antisimetrizadas de cuadrado integrable <math>L^2_{sym}(\R^{3(N+M)})</math>, las coordenadas asociadas a las posiciones de los electrones vienen dadas por <math>x = (x_\dot{a}2,\dots,x_N)\in \R^{3N}</math> y la de los núcleos atómicos vienen dadas por <math>y = (y_1,\dots,y_M)\in \R^{3M}</math>. Y las interacciones electrostáticas entre electrones y núcleos vienen dadas por el potencial <math>V(x,y)</math> que se puede escribir como:
{{ecuación|
<math>V(x,y) = \frac{1}{2}\sum_{i\neq j} \frac{e^2}{\|x_i - x_j\|}
- \sum_{i, j} \frac{Z_je^2}{\|x_i - y_j\|}
+ \frac{1}{2} \sum_{i\neq j} \frac{Z_i Z_j e^2}{\|y_i - y_j\|}</math>
|2|left}}
donde el primer término representa la interacción de los electrones entre sí, el segundo la interacción de los electrones con los núcleos atómicos, y el tercero las interacciones de los núcleos entre sí. En una molécula neutra se tendrá obviamente que:
{{ecuación|
<math>\sum_{j=1}^M Z_j = N</math>
||left}}
Si <math>M = 1</math> se tendrá un [[átomo polielectrónico]] si <math>Z_1 > 1</math>, y un [[átomo hidrogenoide]] si <math>Z_1 = 1</math>.

=== Aproximación de Born-Oppenheimer ===

Resolver el problema de [[Vector propio y valor propio|autovalores y autofunciones]] para el hamiltoniano cuántico dado por {{eqnref|1}} es un problema matemático difícil, por lo que es común simplificarlo de alguna manera. Así dado que los núcleos atómicos son mucho más pesados que los electrones (entre 10<sup>3</sup> y 10<sup>5</sup> veces más) puede suponerse que los núcleos atómicos apenas se mueven comparados con los electrones, por lo que se considera que están congelados en posiciones fijas, con lo cual se puede aproximar el hamiltoniano {{eqnref|1}} por la aproximación de [[Max Born|Born]]-[[Robert Oppenheimer|Oppenheimer]] dada por:
{{ecuación|
<math>\hat{H}^{BO}_{mol,N}(y) = - \sum_{j=1}^N \frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2_{x_j}
+ V(x,y) </math>
|3|left}}
definido sobre el espacio de funciones <math>L^2_{sym}(\R^{3N})</math> y donde 
<math>y \in \R^{3M}</math> es la posición de los núcleos que para el análisis se considera fija. El resultado básico de este análisis viene dado por el siguiente resultado matemático:

{{teorema|1= Los operadores <math>\hat{H}_mol</math> y <math>\hat{H}^{BO}_{mol,N}(y)</math> son [[operador autoadjunto|autoadjuntos]] y acotados inferiormente.|2= [[Tosio Kato]]|título= Teorema de Kato}}

La propiedad de ser autoadjunto implicará que las energías son cantidades reales, y el que sean acotados inferiormente implicará que existe un [[estado fundamental]] de mínima energía por debajo del cual los electrones no pueden decaer, y por tanto, las moléculas serán estables, ya que los electrones no pueden perder y perder energía como parecían predecir las ecuaciones del electromagnetismo clásico. Dos resultados matemáticos adicionales nos dicen como son las energías permitidas de los electrones dentro de una molécula:<ref name="ion">Gustafson, S. J. & I. M. Sigal, 2011, p. 101.</ref>
{{teorema|1= El [[Espectro de un operador#Espectro esencial|espectro esencial]] <math>\sigma_{ess}(\hat{H}^{BO}_{mol,N}) = [\Sigma_N, \infty)</math>, donde <math>\Sigma_N = \inf(\hat{H}^{BO}_{mol,N-1})</math>, la energía <math>\Sigma_N</math> se denomina umbral de ionización.|2= W. Hunziker, C. Van Winter y G. M. Zhislin|título= Teorema HVZ para átomos y moléculas BO}}

Además dentro de la mecánica cuántica puede demostrarse que pueden existir iones positivos (cationes, con carga positiva comparable al núcleo atómico), mientras que no es igual de fácil tener iones negativos ([[anión|aniones]]), el siguiente resultado matemático implica tiene que ver con la posibilidad de cationes y aniones:<ref name="ion"/>
{{teorema|Para <math>N < \sum_j Z_j + 1 </math>, el hamiltoniano <math>\hat{H}^{BO}_{mol,N}</math> tiene un número infinito de autovalores (energías permitidas) por debajo del umbral de ionización <math>\Sigma_N</math>, además los [[estado ligado|estados ligados]] <math>\Psi_N^{(i)}(x_1,x_2,\dots,x_N)</math>, con energías <math>E_N^{(i)} < \Sigma_N</math> satisfacen la cota exponencial
{{ecuación|
<math>\int_{\R^{3N}} |\Psi_N^{(i)}(x)|^2 e^{2\alpha\|x\|}d^{3N}x < \infty, \qquad \forall \alpha < \sqrt{\Sigma_N - E_N^{(i)}}</math>||left}} |título=Teorema}}

== Véase también ==

* [[Compuesto químico]]
* [[Nanotecnología]]
* [[Número de Avogadro]]
* [[Volumen molar]]
* [[Sólidos moleculares]]

== Referencias ==

{{listaref|2}}

=== Bibliografía ===

*Gustafson, S. J. & I. M. Sigal (2011): [http://www.springer.com/us/book/9783642218651 ''Mathematical Concepts of Quantum Mechanics''], Springer-Verlag, ISBN 978-3-642-21866-8.

=== Enlaces externos ===
* {{Traducido ref|ca|Molècula|1880||trad=automática y parcial}}
{{commonscat|Molecules}}
{{wikcionario}}
{{Control de autoridades}}
[[Categoría:Moléculas]]
[[Categoría:Conceptos fundamentales de la química]]