La geometría molecular es la disposición tridimensional de los átomos que forman una molécula. Incluye la forma general de la molécula, así como las longitudes de enlace, los ángulos de enlace, los ángulos de torsión y cualquier otro parámetro geométrico que determine la posición de cada átomo.
La geometría de una molécula afecta una serie de propiedades de una sustancia, incluida su reactividad, polaridad, fase de la sustancia, color, magnetismo y actividad biológica [1] [2] [3] . Los ángulos entre los enlaces que forma un átomo dependen débilmente del resto de la molécula, es decir, pueden considerarse como propiedades aproximadamente locales y, por lo tanto , portátiles .
La geometría de una molécula se puede determinar mediante varios métodos espectroscópicos y de difracción. La espectroscopia de IR, microondas y Raman puede proporcionar información sobre la geometría de una molécula en función de los detalles de la absorción vibratoria y rotacional detectada por estos métodos. La cristalografía de rayos X , la difracción de neutrones y la difracción de electrones pueden proporcionar la estructura molecular de los sólidos cristalinos en función de la distancia entre los núcleos y la concentración de densidad de electrones . La difracción de electrones de gas se puede utilizar para moléculas pequeñas en la fase gaseosa. Los métodos NMR y FRET se pueden utilizar para determinar información adicional, incluidas distancias relativas [4] [5] [6] , ángulos diédricos [7] [8] , ángulos y conectividad. La geometría molecular se determina mejor a baja temperatura porque a temperaturas más altas la estructura molecular se promedia sobre geometrías más accesibles (consulte la siguiente sección). Las moléculas más grandes a menudo existen en múltiples geometrías estables (isomerismo conformacional) cercanas en energía en la superficie de energía potencial. Las geometrías también se pueden calcular utilizando métodos ab initio de química cuántica con alta precisión. La geometría de una molécula puede ser diferente para un sólido, en solución y en un gas.
La posición de cada átomo está determinada por la naturaleza de los enlaces químicos por los que está unido a sus átomos vecinos. La geometría de una molécula se puede describir por la posición de estos átomos en el espacio, a partir de la cual se derivan las longitudes de enlace de dos átomos enlazados, los ángulos de enlace en tripletes de átomos enlazados y los ángulos de torsión (ángulos diédricos) de tres enlaces sucesivos.
El "movimiento" de los átomos en una molécula está determinado por la mecánica cuántica. Los movimientos mecánicos cuánticos generales (externos), la traslación y la rotación prácticamente no cambian la geometría de la molécula. La rotación afecta la geometría hasta cierto punto a través de las fuerzas de Coriolis y la distorsión centrífuga, pero esto es irrelevante para la presente discusión. Además del movimiento de traslación y la rotación, el tercer tipo de movimiento es la vibración molecular, que corresponde a los movimientos internos de los átomos, como el estiramiento de enlaces y el cambio de ángulo de enlace. Las vibraciones moleculares son armónicas (al menos en una buena aproximación), y los átomos vibran alrededor de su posición de equilibrio incluso a temperatura cero absoluta. En el cero absoluto, todos los átomos están en su estado vibratorio fundamental y exhiben vibraciones mecánicas cuánticas de punto cero , de modo que la función de onda de un solo modo vibratorio no es un pico agudo, sino una exponencial de ancho finito. A temperaturas más altas, los modos de vibración pueden excitarse térmicamente (en la interpretación clásica, esto se expresa mediante la afirmación de que "las moléculas vibrarán más rápido"), pero todavía vibran alrededor de la geometría reconocible de la molécula.