Modelos moleculares

Aunque puede parecer un juguete para niños pequeños, en realidad, los modelos moleculares son una herramienta vital para el estudio de la Química como lo es una calculadora para las matemáticas. Y como cualquier herramienta, mientras más los uses, mejor te servirá. Los modelos moleculares tienen la finalidad de estimular la imaginación y ayudar en el proceso de visualización. Es decir, lo que hacen es presentar una forma sólida de un objeto abstracto que de otra forma se tendría que formular en la mente o en un texto escrito. Los libros de texto de química contienen lenguaje gráfico para describir las moléculas y las reacciones, sin embargo, lo que hacen los modelos moleculares es mejorar la comprensión a través de una asociación visual y, a la vez, tangible.

Además de usar los modelos para examinar los enlaces entre los átomos y las conformaciones de las moléculas, son especialmente útiles para examinar el arreglo de los átomos que componen la molécula en el espacio, es decir, su estereoquímica. Si eres como yo, que te cuesta imaginar la estructuras de cualquier molécula de forma tridimensional, el poder verlo con uno de estos modelos ayuda muchísimo.

Te pongo como ejemplo algo de geometría o estructura molecular que, como ya sabes, es la disposición tridimensional de los átomos que constituyen una molécula. Los compuestos que se diferencian uno del otro solamente en el arreglo espacial de sus átomos, se llaman estereoisómeros. Los estereoisómeros que no pueden interconvertirse fácilmente por rotación alrededor de un enlace se llaman isómeros configuraciones y aquellos que fácilmente se interconvierten por rotación alrededor de un enlace se llaman isómeros conformacionales. Ciertos isómeros configuraciones en el pasado (y algunos todavía hoy) se denominaron isómeros geométricos. Todo esto parece complicado ¿verdad? Pero todo se simplifica bastante cuando físicamente puedes crear estas estructuras y comprobar visualmente su geometría.

Igualmente puedes comprobar la isomería del enlace pi (doble enlace) donde también restringe la rotación alrededor de los enlaces carbono-carbono y de igual forma da lugar a dos isómeros configuracionales (geométricos). Estos isómeros se designan como E (en alemán entgegen: opuestos) y Z (en alemán zusammen: juntos) nombre que se asigna en base a la “prioridad” que se da a los átomos directamente unidos a los dos átomos de carbono con doble enlace. El sistema prioritario está basado en el número atómico del átomo: a mayor número atómico, mayor es su prioridad (con los isótopos, a mayor masa atómica, más alta es la prioridad).

Los colores juegan un papel muy importante para diferenciar cosas similares. En el caso de los modelos moleculares existe un código de colores. Por ejemplo, el carbono siempre es de color negro. Esto no es una casualidad; los modelos moleculares se ciñen a unos colores que podemos considerar estándar, y que también reciben el nombre de colores CPK (Corey, Pauling y Koltun, que fueron los pioneros en la creación de los modelos moleculares). Así, centrándonos únicamente en los más habituales, tenemos los colores siguientes:

Seguro que con un vídeo lo ves mucho mejor, está en inglés pero es muy corto y merece la pena verlo:

A continuación te muestro los tres tipos de modelos moleculares ampliamente usados:

Modelos moleculares de varillas

El modelo molecular de varillas es muy adecuado paracomprobar la isomería, ya que permite centrarte en la estructura molecular. Por ejemplo, para estudiar las dos conformaciones más habituales del ciclohexano (ciclohexano bote y ciclohexano silla).

A parte de la diferencia que presentan ambas conformaciones claramente, el hecho de que haya que hacer un pequeño esfuerzo manual para lograr que la estructura del ciclohexano pase de la conformación tipo bote a la conformación tipo silla puede es una buena analogía para mostrar que, en efecto, se requiere superar cierta barrera energética para pasar de una a otra conformación, tal y como podríamos ver en un diagrama energético de interconversión de ambas conformaciones. La diferencia de energía entre la primera conformación indicada (bote) y la segunda (silla) es de unos 28 kJ/mol.

El modelo molecular de varillas es también útil para estructuras cristalinas con un gran número de átomos. La periodicidad del cristal se observa mejor si construimos un trocito de cristal más amplio y no una única celda unidad, y los sets de modelos moleculares de varillas en general incluyen un mayor número de átomos que los de barras y esferas. De esta forma se puede comprobar cuál es la celda unidad de una estructura y la periodicidad que da la estructura cristalina al sólido.

El siguiente modelo molecular lo puedes encontrar en amazon. Éste en concreto está muy completo.

Modelos moleculares de esferas

En 1865, el químico alemán August Wilhelm von Hofmann fue el primero en crear los modelos moleculares de barras y esferas. Usó los modelos en una conferencia en la Royal Institution of Great Britain (Real Institución de Gran Bretaña) que es una organización dedicada a la educación y la investigación científicas situada en Londres. Fue fundada en 1799 por los principales científicos británicos de la época, incluyendo a Henry Cavendish y a su primer presidente, George Finch, para «difundir el conocimiento y facilitar el acceso general a invenciones y desarrollos mecánicos y útiles; para enseñar, a través de cursos compuestos de conferencias filosóficas y experimentos, la aplicación de la ciencia en la vida común.»

Las bolas de distintos colores representan los átomos de los distintos elementos químicos, mientras que las barras (de tres tamaños distintos para ditinguir los tre tipos de elaces) representan los enlaces entre ellos. Estos modelos moleculares de esferas son también útiles para las mismas aplicaciones que los de varillas, aunque como abultan más, en general son mejores para, por ejemplo, para el estudio de la isomería Z-E o el estudio de la incapacidad de rotar del doble enlace C=C.

También es interesante utilizar un modelo molecular de esferas para mostrar, por ejemplo, la isomería de función, es decir, compuestos que tienen la misma fórmula química pero distintos grupos funcionales y, por tanto, distintas propiedades y disposición de los átomos.

En general, estos modelos moleculares son bastante útiles para ver lo que ocurre durante una reacción química, cómo se rompen los enlaces de los reactivos y se forman enlaces nuevos en los productos.

Modelos moleculares para aplicaciones específicas

Aunque como hemos visto basta un kit de modelo molecular sencillo para entender la estructura de muchas moléculas o la reactividad, hay otros distintos que aportan otra información, como aquellos que  representan estructuras bioquímicas esenciales como el ADN.

No son tan útiles como los de varillas o de bolas y barras, pero más versátiles.

 

 

 

Te he presentado varios modelos para que puedas elegir el que más convenga a tus necesidades.

Pero si tienes dudas de cuál es el mejor, un set con 30 carbonos es más que suficiente para cualquier alumno que necesite un apoyo estructural en sus estudios. Ya que, remarcando lo dicho en este artículo, generalmente cuando se trata de examinar caracteres tridimensionales de las moléculas, los modelos moleculares son más útiles que los dibujos en perspectiva.

Además los modelos moleculares se venden en kits, que incluyen varias representaciones de distintos átomos y de los enlaces. Si piensas que un kit de un modelo molecular es caro al contrario, son bastantes económicos y por unos 20 euros, puedes conseguir uno, (lo puedes comprobar aquí) y te va a ayudar enormemente en la compresión y estudio de química.

Si tienes un nivel más alto de química, es posible que necesites un kit más completo, en este caso te recomiendo los de la marca Molymod, son un poco más caros de precio que los anteriores, pero sus piezas son de buena calidad y merece la pena la diferencia.

Para terminar te dejo un vídeo que me ha parecido curiosísimo, donde por medio de modelos moleculares se crea una molécula del compuesto químico palitoxina, que es una toxina asociada a los arrecifes coralinos, cuya fórmula es la siguiente: C₁₂₉H₂₂₃N₃O₅₄ (nada simple ¿verdad?). Con esto lo único que quiero decirte es que las posibilidades al utilizar modelos moleculares son infinitas.

Espero que después de leer este artículo, te animes y consigas tu kit y empieces a disfrutar creando todo tipo de moléculas.

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