Moléculas

El número de moléculas conocidas hasta ahora comprende varios millones de especimenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a las síntesis que se llevan a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura, con individualidad propia, constituida por núcleos y electrones.  Obviamente, en una molécula las interacciones deben tener lugar entre núcleos y electrones, núcleos y núcleos y electrones y electrones, siendo del tipo electromagnético.

Debido al confinamiento de los núcleos, el papel que desempeñan, aparte del de proporcionar la casi totalidad de la masa de la molécula, es poco relevante, a no ser que se trate de moléculas livianas, como la del hidrógeno.  De una manera gráfica podríamos decir que los núcleos en una molécula constituyen el armazón de la misma, el esqueleto, cuya misión sería proporcionar el soporte del edificio.  El papel más relevante lo proporcionan los electrones y en particular los llamados de valencia, que son los que de modo mayoritario intervienen en los enlaces, debido a que su energía es comparativamente inferior a la de los demás, lo que desempeña muy importante papel en la evolución.

Desde las moléculas más sencilla, como la del hidrógeno, con un total de 2 electrones, hasta las más complejas, como las de las proteínas, con muchos miles de ellos, existe toda una gama, según decía, de varios millones.  Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Sin entrar en las posibles diferencias interpretativas de estas notables divergencias, señalaré que, desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que los nucleares y atómicas.

Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica,  y en particular a la de los electrones más débilmente ligados.   Concretando un poco se podría admitir que la citada información la soportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales las que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones corticales.

Justamente esa información es la que vá a determinar las capacidades de unión de unos átomos con otros, previo el “reconocimiento” entre los orbitales correspondientes.   De acuerdo con la mecánica cuántica el número de orbitales se reduce a unos pocos.  Se individualizan por unas letras hablándose de orbitales, s,p,d,f,g,h.  Este pequeño número no proporciona una gran diversidad.

La llamada hibridación (una especie de mezcla) de orbitales es un modo de aumentar el número de mensajes, esto es, la información, bien entendido que esta hibridación ocurre en tanto y en cuanto dos átomos se preparan para enlazarse y formar una molécula.  En las moléculas, la información, obviamente, debe de abarcar a todo el edificio, por lo que en principio parece que debería ser más rica que en los átomos.  La ganancia de información equivale a una disminución de entropía; por esta razón,  a la información se la llama también negantropía.

En términos electrónicos, la información se podría considerar proporcionada por un campo de densidad eléctrica, con valles, cimas, collados, etc., es decir, curvas isoelectrónicas, equivalentes formalmente a las de nivel en topografía.  Parece razonable suponer que cuanto más diverso sean los átomos de una molécula, más rica y variada podrá ser su información, la información que pueda soportar.

La enorme variedad de formas, colores, comportamientos, etc., que acompaña a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas (y sus agregados) que forman parte de dichos objetos.  Ello explicaría que las moléculas de la vida sean en general de grandes dimensiones (macromoléculas).  La inmensa mayoría de ellas contiene carbono.  Debido a su tetravalencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

El carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos.  Próximos al carbono en la tabla periódica, el silicio, fósforo y boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor.

Refiriéndonos al silicio, que para nosotros es el más importante, señalaremos que las “moléculas” que dicho átomo forma con el oxígeno y otros átomos, generalmente metálicos, poseyendo gran nivel de información, difieren, en varios aspectos, de las moléculas orgánicas, es decir, de las que poseen un esqueleto de átomos de carbono.

El mundo de los silicatos es de una gran diversidad, existiendo centenares de especies minerológicas.  Esas diferencias se refieren, fundamentalmente, a que el enlace químico en el caso de las moléculas orgánicas es covalente, y cuando se forma la sustancia correspondiente (cuatrillones de moléculas) o es un líquido, como es el caso de los aceites, o bien un sólido que funde fácilmente.  Entre las moléculas que lo forman se ejercen unas fuerzas, llamadas de van der Waals, que, pueden considerarse como residuales de las fuerzas electromagnéticas, algo más débiles que éstas.  En cambio, en los silicatos sólidos (como en el caso del topacio) el enlace covalente o iónico no se limita a una molécula, sino que se extiende en el espacio ocupado por el sólido, resultando un entramado particularmente fuerte.

Al igual que para los cristales de hielo, en la mayoría de los silicatos la información que soportan es pequeña, aunque conviene matizar este punto.  Para un cristal ideal así sería en efecto, pero ocurre que en la realidad el cristal ideal es una abstracción, ya que en el cristal real existen aquí y allá los llamados defectos puntuales que trastocan la periodicidad espacial propia de las redes ideales.  Precisamente esos defectos puntuales podían proporcionar una mayor información.

Si prescindimos de las orgánicas, el resto de las moléculas que resultan de la combinación entre los diferentes átomos no llega a 100.000, frente a los varios millones de las primeras.  Resulta ranozable suponer que toda la enorme variedad de moléculas existentes, principalmente en los planetas rocosos, se haya formado por evolución de los átomos, como corresponde a un proceso evolutivo. La molécula poseería mayor orden que los átomos de donde procede, esto es, menor entropía. En su formación, el ambiente se habría desordenado al ganar entropía en una cierta cantidad tal, que arrojarse un balance total positivo.

No puedo, dejar pasar la oportunidad, aunque sea de pasada, remencionar las sustancias.

Las así llamadas, son cuerpos formados por moléculas idénticas, entra las cuales pueden o no existir enlaces químicos.  Veremos varios ejemplos.  Las sustancias como el oxígeno, cloro, metano, amoníaco, etc., se presentan en estado gaseoso en condiciones ordinarias de presión y temperatura.  Para su confinamiento se embotellan, aunque existen casos en que se encuentran mezcladas en el aire (os podéis dar una vueltecita por el Polo químico de Huelva).

En cualquier caso, un gas como los citados consiste en un enjambre de las moléculas correspondientes.  Entre ellas no se ejercen fuerzas, salvo cuando colisionan, lo que hacen con una frecuencia que depende de la concentración, es decir, del número de ellas que están concentradas en la unidad de volumen; número que podemos calcular conociendo la presión y temperatura de la masa de gas confinada en un volumen conocido.

Decía que no existen fuerzas entre las moléculas de un gas.  En realidad, es más exacto que el valor de esas fuerzas es insignificante porque las fuerzas residuales de las electromagnéticas, a las que antes me referí, disminuyen más rápidamente con la distancia que las fuerzas de coulomb; y esta distancia es ordinariamente de varios diámetros moleculares.

Podemos conseguir que la intensidad de esas fuerzas aumenten tratando de disminuir la distancia media entre las moléculas.  Esto se puede lograr haciendo descender la temperatura, aumentando la presión o ambas cosas.  Alcanzada una determinada temperatura, las moléculas comienzan a sentir las fuerzas de Van der Waals y aparece el estado líquido; si se sigue enfriando aparece el sólido.  El orden crece desde el gas al líquido, siendo el sólido el más ordenado.  Se trata de una red tridimensional en la que los nudos o vértices del entramado están ocupados por moléculas.

Todas las sustancias conocidas pueden presentarse en cualquiera de los tres estados de la materia (estados ordinarios y cotidianos en nuestras vidas del día a día).

Si las temperaturas reinantes, como decíamos en páginas anteriores, es de miles de millones de grados, el estado de la materia es el plasma, el material más común del Universo, el de las estrellas (aparte de la materia oscura, que no sabemos ni lo que es, ni donde está, ni que “estado” es el suyo).

En condiciones ordinarias de presión, la temperatura por debajo de la cual existe el líquido y/o sólido depende del tipo de sustancia.  Se denomina temperatura de ebullición o fusión la que corresponde a los sucesivos equilibrios(a presión dada) de fases: vapor <-> líquido <-> sólido.  Estas temperaturas son muy variadas.  Por ejemplo, para los gases nobles son muy bajas; también para el oxígeno (O₂) e hidrógeno (H₂).  En cambio, la mayoría de las sustancias son sólidos en condiciones ordinarias (grasas,  ceras, etc.)

Las sustancias pueden ser simples y compuestas, según que la molécula correspondiente tenga átomos iguales o diferentes.  El número de las primeras es enormemente inferior al de las segundas.

El concepto de molécula, como individuo-físico y químico, pierde su significado en ciertas sustancias que no hemos considerado aun.  Entre ellas figuran las llamadas sales, el paradigma de las cuales es la sal de cocina.  Se trata de cloruro de  sodio, por lo que cualquier estudiante de E.G.B. escribiría sin titubear, su fórmula: Cl Na.  Sin embargo, le podríamos poner en un aprieto si le preguntásemos donde se puede encontrar aisladamente individuos moleculares que respondan a esa composición.  Le podemos orientar diciéndole que en el gas Cl H o en el vapor de agua existen moléculas como individualidades.  En realidad y salvo casos especiales, por ejemplo, a temperaturas elevadas, no existen moléculas aisladas de sal, sino una especie de molécula gigante que se extiende por todo el cristal.  Este edificio de cristal de sal consiste en una red o entramado, como un tablero de ajedrez de tres dimensiones, en cuyos nudos o vértices se encuentran, alternativamente, las constituyentes, que no son los átomos de   Cl  y  Na  sino los iones Cl^– y Na⁺.  El primero es un átomo de Cl que ha ganado un electrón, completándose todos los orbitales de valencia; el segundo, un átomo de Na que ha perdido el electrón del orbital s.

Cuando los átomos de Cl y Na interaccionan por aproximarse suficientemente sus nubes electrónicas, existe un reajuste de cargas, porque el núcleo de Cl atrae con más fuerza los electrones que el de Na, así uno pierde un electrón que gana el otro.  El resultado es que, la colectividad de átomos se transforma en colectividad de iones, positivos los de Na y negativos los de Cl.  Las fuerzas electromagnéticas entre esos iones determinan su ordenación en un cristal, el ClNa.  Por consiguiente, en los nudos de la red existen, de manera alternativa, iones de Na e iones de Cl, resultando una red mucho más fuerte que en el caso de que las fuerzas actuantes fueran de Van der Waals.  Por ello, las sales poseen puntos de fusión elevados en relación con los de las redes moleculares.

emilio silvera

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