Una molecola è formata da un insieme di atomi uguali (nel caso degli elementi) o diversi tra loro (nel caso dei composti). Allo stato condensato (solido e liquido) le molecole interagiscono tra loro tramite forze dette intermolecolari, mentre allo stato gassoso le molecole.
Proprietà delle Molecole
Secondo la teoria molecolare, le proprietà chimiche e chimico-fisiche di una sostanza sono interpretabili sulla base della natura delle sue molecole, più precisamente della natura degli atomi formanti la molecola, dal loro rapporto numerico di combinazione, dalle loro relazioni di adiacenza, dalla direzionalità dei legami e dalla struttura spaziale complessiva.
Molte molecole degli elementi allo stato gassoso sono biatomiche, cioè formate da due atomi (idrogeno H2, ossigeno O2, azoto N2 ecc.); non mancano eccezioni di molecole poliatomiche: nei vapori di fosforo e di zolfo, per es., sono presenti molecole con 4 e con 8 atomi (P4, S8).
Le molecole di tutti i composti chimici sono formate dagli atomi di più elementi diversi: così, l’acido cloridrico risulta dall’insieme di un atomo d’idrogeno e di uno di cloro, HCl; l’acido solforico da due atomi di idrogeno, uno di zolfo e quattro di ossigeno H2SO4; la molecola dell’idrocarburo esacontano risulta formata da 60 atomi di carbonio e 122 di idrogeno, C60H122, ecc.
Le formule molecolari indicano di quali e quanti atomi è formata la molecola. Il peso (più propriamente massa) molecolare è il peso di una molecola, sia in senso assoluto (ricavato in tal caso dividendo il peso di una mole per il numero di Avogadro; ➔ mole) sia in senso relativo, rispetto a quello di un atomo scelto convenzionalmente.
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L’unità di riferimento scelta dalla IUPAC è la dodicesima parte della massa del più importante e abbondante isotopo naturale del carbonio, il 12C.
Origine e Sviluppo del Termine "Molecola"
Il termine molecola è entrato nel linguaggio scientifico nel 17° secolo con il senso di piccola massa, e inizialmente fu spesso confuso con atomo. J. Dalton usò il termine per i composti, ma solo con F.-L. Gay-Lussac e soprattutto con A. Avogadro la teoria atomico-molecolare ricevette una precisa enunciazione, che però trovò accoglimento e sviluppi soltanto dopo S.
Oggi si è in grado per ciascuna molecola di dare molte proprietà e caratteristiche (grandezza, peso, struttura, stabilità, reattività ecc.) che provengono dallo studio sperimentale dei fenomeni collegati più o meno direttamente alle proprietà e alla struttura delle singole molecole, quali, per es., l’analisi strutturale con raggi X o con fasci di elettroni, l’analisi spettrale, la determinazione dei momenti elettrici e magnetici.
Legami Chimici e Orbitali Molecolari
Poiché il legame chimico che tiene uniti gli atomi nelle molecole è dovuto all’interazione fra gli orbitali atomici dei singoli atomi componenti la molecola, è possibile applicare le leggi della meccanica quantistica allo studio delle molecole. Nel modello degli orbitali molecolari sviluppato da F. Hund e R. Mullikan il comportamento degli elettroni nelle molecole viene descritto da funzioni monoelettroniche, che solitamente vengono espresse mediante una combinazione lineare degli orbitali atomici da cui provengono gli elettroni.
Nella molecola di idrogeno dalla combinazione degli orbitali atomici 1s si ottengono due orbitali molecolari. In tale combinazione ha luogo una rottura di simmetria del sistema poiché da due stati atomici aventi la stessa energia si ottengono due stati molecolari aventi diversa energia, rispettivamente con un valore minore e uno maggiore di quello degli stati atomici.
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Infatti dalla simmetria sferica degli orbitali atomici si ottengono due configurazioni diverse entrambe con simmetria cilindrica rispetto all’asse della molecola, e di riflessione rispetto al piano che passa perpendicolarmente nel punto centrale di tale asse. L’orbitale a energia più bassa, chiamato legante e indicato con la sigla σg1s, ha la forma di una palla ovale; nello stato fondamentale della molecola ospita due elettroni a spin antiparallelo il cui moto è sostanzialmente localizzato nella regione internucleare.
L’altro orbitale, caratterizzato con la sigla σu1s ha energia più elevata e viene chiamato antilegante. I pedici g (da gerade) e u (da ungerade) specificano se la funzione d’onda orbitale è rispettivamente simmetrica o antisimmetrica.
Studi di questa natura sono stati estesi a gran parte delle molecole biatomiche omo- ed etero- nucleari e hanno rivelato che i legami chimici si manifestano nella direzione in cui risulta più elevata la sovrapposizione fra i lobi degli orbitali atomici in essi coinvolti.
Per esempio nella molecola d’acqua i due legami O-H fra l’atomo di ossigeno e un atomo di idrogeno coinvolgono due orbitali px e py dell’atomo di ossigeno e pertanto dovrebbero formare un angolo di 90°.
Di particolare interesse risulta ovviamente l’atomo di carbonio che, come dimostrato da L. Pauling, può formare legami con altri atomi coinvolgendo quattro orbitali, detti ibridi sp3, che si dipartono dal centro di un tetraedro in cui è localizzato il nucleo dell’atomo stesso.
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Moti Interni delle Molecole
Una molecola isolata, per es. presente in un gas a densità relativamente bassa, è soggetta, oltre che a un movimento di traslazione, anche a un insieme di moti interni. che si riferiscono rispettivamente alle rotazioni attorno al suo centro di massa, alla vibrazioni dei singoli atomi rispetto alle loro posizioni di equilibrio e infine alle energie che competono agli elettroni nei loro diversi stati.
Queste energie sono quantizzate, ovvero possono assumere solo valori discontinui. Le variazioni di energia fra due successivi moti interni dello stesso tipo seguono l’ordine seguente: Δεel >Δεvib >Δεrot. Anche per le molecole polielettroniche esistono diversi stati energetici associati sia ai moti elettronici sia ai moti interni rotazionali e vibrazionali.
Questi ultimi risultano ovviamente più difficili da descrivere per la maggiore complessità delle molecole stesse. I moti di vibrazione coinvolgono l’intera compagine molecolare in movimenti collettivi che vengono chiamati normali. Se le molecole sono formate da n atomi esistono 3n-6 (3n-5 se la molecola.
Biologia Molecolare
La biologia molecolare è il ramo della biologia che studia e interpreta a livello molecolare i fenomeni biologici, considerando la struttura, le proprietà e le reazioni delle molecole chimiche di cui gli organismi viventi sono costituiti. Inizialmente si è divisa in due branche di studio: un filone informazionale, rappresentato inizialmente da M. Delbruck e S.E. Luria, che si occupava soprattutto della genetica dei microrganismi e della natura del materiale genetico, e un filone strutturale, rappresentato da W.H. Astbury e D. Bernal e successivamente da M.F. Perutz, J.C. Kendrew e dai loro allievi, che si occupava soprattutto della definizione della struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche, in particolare delle proteine, mediante la cristallografia a raggi X.
Le due scuole hanno trovato sempre più terreno comune con la scoperta della struttura degli acidi nucleici, nel 1953, da parte di J.D. Watson e F. Crick, e del loro ruolo nella trasmissione dell’informazione genetica. Gli argomenti che riguardano il flusso dell’informazione genica comprendono la duplicazione degli acidi nucleici, la trascrizione e il processo di elaborazione dell’RNA trascritto, il codice genetico, la sintesi proteica e il trasporto delle proteine sintetizzate, le tecnologie del DNA ricombinante.
La conoscenza delle strutture macromolecolari permette di capire le funzioni a esse correlate. Per es., importanti risultati sono stati raggiunti nella conoscenza della funzione dell’emoglobina e della mioglobina; della catalisi e della cinetica enzimatica; delle diverse conformazioni della molecola del DNA che, influendo con i siti di legame delle proteine, sono essenziali per la regolazione dell’espressione dei geni.
Fisica Molecolare
La fisica molecolare è una branca della fisica, che si è venuta a configurare come autonoma negli ultimi decenni del 20° secolo e si occupa sia dello studio della configurazione spaziale, o delle proprietà dinamiche delle molecole isolate e della determinazione dei parametri caratteristici di queste, sia delle interazioni tra molecole (➔ intermolecolari, forze) e della loro dinamica in sistemi densi. Ha avuto un notevole incremento d’interesse in vista di alcune possibili applicazioni, quali, per es., l’elettronica molecolare, ma soprattutto per la rilevanza che riveste per la comprensione dei processi biologici.
La fisica molecolare si avvale largamente per gli sviluppi teorici di un metodo, detto dinamica molecolare, basato sulla simulazione al calcolatore di un sistema di più atomi e/o molecole. Lo studio delle molecole isolate ha come obiettivo di determinare la posizione degli atomi che compongono la molecola, le caratteristiche delle forze che agiscono fra tali atomi, la distribuzione delle cariche all’interno delle molecole, sia nello stato fondamentale sia negli stati eccitati ecc.
Le più classiche tecniche d’indagine sono la diffrazione di raggi X, la spettroscopia infrarossa, visibile e ultravioletta, l’effetto Raman e, più recentemente, la risonanza magnetica nucleare, la spettroscopia elettronica e la diffrazione elastica dei neutroni. Un considerevole passo avanti nella determinazione della struttura e dei parametri caratteristici di molecole complesse si è avuto quando si sono potuti analizzare i dati sperimentali ottenuti dalle tecniche suddette con calcolatori. Infatti, se si prescinde da molecole.
Per quanto riguarda il calcolo teorico delle proprietà delle molecole isolate, è noto che la meccanica quantistica fornisce in linea di principio i mezzi per calcolare tutte le caratteristiche molecolari. In realtà però non esiste neanche la possibilità di calcolare in maniera esatta la funzione d’onda che descrive lo stato fondamentale dell’idrogeno, la più semplice molecola possibile.
Per tali calcoli bisogna perciò ricorrere a metodi variazionali e perturbativi, che richiedono elaborazioni numeriche molto complesse e quindi tali calcoli, detti calcoli ab initio, possono in realtà essere eseguiti solo con l’ausilio dei più potenti calcolatori disponibili e inoltre limitandosi a molecole assai semplici. Infatti, per questa via, si possono oggi trattare con accuratezza paragonabile a quella ottenibile da misure sperimentali solo molecole.
Forze Intermolecolari e Stati Condensati
Le forze intermolecolari (forze deboli rispetto ai legami chimici mediante le quali le molecole interagiscono pur conservando ciascuna la propria identità) possono dar luogo ad aggregazione delle molecole interagenti, formando così sistemi condensati solidi o liquidi. Quasi tutti i liquidi, se si eccettuano i metalli liquidi, sono legati da forze di questo tipo e infatti vi è una larga sovrapposizione tra la fisica dei liquidi e la fisica molecolare.
In particolare è di notevole interesse per la fisica molecolare lo studio dei liquidi semplici, cioè dei liquidi composti di molecole monoatomiche (cripto, argo ecc.), poiché in tal caso il potenziale intermolecolare è particolarmente semplice in quanto a simmetria sferica e in generale può, con ottima approssimazione, essere considerato additivo. Lo studio di questi liquidi ha avuto un notevole impulso con l’introduzione di alcune nuove tecniche sperimentali, quali lo studio degli spettri indotti da collisioni, ma soprattutto poiché si è avuta, con l’avvento degli elaboratori elettronici, la possibilità di calcolare per via numerica le proprietà di un sistema di molecole.
Notevole importanza rivestono i solidi molecolari; essi comprendono tipi di solidi molto diversi, da quelli estremamente semplici quali l’azoto, a quelli molto complessi come, per es., la maggior parte delle materie plastiche e in generale dei materiali organici.
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