Moléculas y fórmulas químicas

Fórmulas químicas y su escritura

Todas las sustancias y moléculas se representan por escrito mediante fórmulas químicas. Estas constan de símbolos de elementos químicos y subíndices numéricos que indican la cantidad exacta de átomos de cada elemento (el subíndice «1» tradicionalmente no se escribe).

No existe una regla estricta y universal para el orden de los elementos, pero se han establecido ciertas tradiciones:

• El oxígeno se escribe casi siempre en último lugar.
• El hidrógeno en los ácidos inorgánicos se coloca en primer lugar (por ejemplo, $H_2SO_4$), mientras que en los compuestos orgánicos se suele escribir inmediatamente después del carbono.

Las moléculas en sí se dividen en tipos según el número de átomos. Las diatómicas pueden formar sustancias homonucleares simples (oxígeno $O_2$ y nitrógeno $N_2$) o heteronucleares complejas (monóxido de carbono $CO$, cloruro de hidrógeno $HCl$). El agua, por ejemplo, es una molécula triatómica.

Demostración de la estructura de la sustancia usando el agua como ejemplo

La microscopía convencional no permite ver moléculas no gigantes como $H_2O$. El método principal que demuestra la presencia de moléculas y determina con precisión la disposición de los átomos en una sustancia sólida es la difracción de rayos X (cristalografía de rayos X).

El análisis de la estructura del agua sólida (hielo) reveló dos tipos de distancias:

1. Intramolecular (100 pm): Dos átomos de hidrógeno están unidos químicamente a cada átomo de oxígeno, formando una molécula íntegra.
2. Intermolecular (176 pm): La distancia a los átomos de la molécula vecina es considerablemente mayor; no existe un enlace químico fuerte entre ellos.

Precisamente esta diferencia sustancial en las distancias (100 pm frente a 176 pm) sirve como prueba irrefutable de que el agua se compone de moléculas discretas y no de una red atómica continua.

Además, un compuesto químico difiere radicalmente de una mezcla. Una mezcla contiene diferentes sustancias cuya separación es un proceso físico. En cambio, la descomposición del agua (por ejemplo, mediante electrólisis en 1 g de hidrógeno y 8 g de oxígeno por cada 9 g de agua) es la destrucción de las propias moléculas, es decir, un proceso químico.

Geometría espacial de las moléculas

La estructura espacial de varias moléculas difiere significativamente, lo que determina sus propiedades:

• Agua ($H_2O$): Posee una estructura angular.
• Dióxido de carbono ($CO_2$): A diferencia del agua, es una molécula lineal. Los tres átomos se encuentran en una misma línea recta.
• Benceno ($C_6H_6$): Molécula plana. Los átomos de carbono yacen en un mismo plano formando un hexágono regular.
• Amoníaco ($NH_3$): Tiene la forma de una pirámide trigonal. En su vértice se ubica el átomo de nitrógeno, y en las esquinas de la base, los átomos de hidrógeno.
• Etano ($C_2H_6$): Consta de dos fragmentos $CH_3$, cuya característica principal es la capacidad de girar independientemente el uno respecto al otro alrededor del eje del enlace $C-C$.
• Glucosa ($C_6H_{12}O_6$): Presenta una estructura cíclica (cinco átomos de carbono y uno de oxígeno forman un hexágono). Esta conformación no es plana, sino distorsionada (similar a una hoja de papel doblada), con dos esquinas opuestas flexionadas hacia arriba y hacia abajo.

Métodos de modelado gráfico

Para visualizar las moléculas se emplean modelos donde los átomos se representan como partículas esféricas y sus tamaños guardan proporción con los datos reales de investigación. Cabe recordar que al representar redes tridimensionales en un plano, algunas distancias pueden parecer distorsionadas debido al efecto de perspectiva.

Principales métodos de representación:

1. Modelo de esferas compactas: muestra de forma gráfica los tamaños relativos de los átomos.
2. Modelo con deformación: refleja el solapamiento mutuo de las nubes electrónicas al formarse un enlace químico (deformación de los átomos).
3. Modelo de varillas y esferas: los radios de las esferas se reducen artificialmente y las líneas indican la presencia de enlace. Permite apreciar mejor la disposición espacial mutua de los elementos.
4. Fórmula estructural: la representación más convencional, compuesta únicamente por símbolos de elementos y líneas.

En algunos modelos educativos se utiliza una codificación de colores específica: el carbono se indica en blanco (⚪), el hidrógeno en negro (⚫), el oxígeno en gris (🔘) y el nitrógeno en gris oscuro (🌑).

Preguntas de clases y exámenes

Qué más repasar sobre el tema

• Características de las moléculas diatómicas homonucleares y heteronucleares.
• Mecanismo de descomposición de las moléculas de agua mediante electrólisis.
• Principios de los cambios conformacionales en la molécula de etano durante la rotación alrededor del enlace C-C.
• Distorsiones de la percepción visual al construir proyecciones de redes cristalinas.

Otros temas de la sección «Capítulo 1. Sustancias. Propiedades y estructura»

Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.