MOLECOLA

Chimica

L'ipotesi dell'esistenza di molecole formate da due o più atomi capaci di scindersi nelle reazioni chimiche negli atomi costituenti fu formulata da A. Avogadro (1811) per dare una semplice interpretazione della legge di Gay-Lussac sui rapporti tra i volumi uguali di gas che si combinano tra loro originando composti. A fondamento della teoria molecolare di Avogadro è l'ipotesi, nota come legge di Avogadro, che volumi di gas diversi nelle stesse condizioni di pressione e temperatura contengono un ugual numero di molecole; ne segue che una mole di qualunque sostanza contiene sempre lo stesso numero N di molecole (numero di Avogadro). Il valore sperimentale di N è stato determinato con diversi metodi indipendenti tra loro. Tutti questi metodi conducono con maggiore o minore approssimazione al valore oggi accettato di N = 6,023 · 10²³ e costituiscono altrettante verifiche sperimentali dell'esistenza delle molecole. Dalla conoscenza di N si può risalire alla massa delle molecole. Le dimensioni delle molecole sono approssimativamente proporzionali al numero e alle dimensioni degli atomi costituenti. La più piccola molecola è quella dell'idrogeno (H2) che ha un raggio di 2,4 Å. Un dato molto importante per la comprensione delle proprietà delle molecole è la loro configurazione spaziale: per es. si sa che nella molecola dell'acqua gli atomi costituenti sono disposti nei vertici di un triangolo isoscele e l'angolo al vertice associato all'atomo di ossigeno è di 105°. La frequente asimmetria geometrica che si riscontra nelle molecole poliatomiche si riflette in una distribuzione non uniforme delle cariche elettriche che genera un momento di dipolo elettrico. Il momento di dipolo di una molecola dipende largamente dal tipo di legame chimico che interviene tra i vari atomi. Si sono potuti misurare i momenti di dipolo associati ai legami fondamentali e ai più importanti gruppi di atomi o di radicali. Sommando vettorialmente questi momenti si può spesso risalire al momento di dipolo di molecole notevolmente complesse. In presenza di un campo elettrico sufficientemente intenso le molecole subiscono una deformazione che genera un momento di dipolo elettrico indotto che si somma al momento di dipolo intrinseco. Lo sviluppo della spettroscopia molecolare, soprattutto nella regione dell'infrarosso, ha permesso di ricavare, attraverso l'interpretazione data dalla meccanica quantistica degli spettri di emissione e di assorbimento, una grande quantità di informazioni sulla struttura delle molecole sia nello stato eccitato sia in quello normale, sull'energia di dissociazione e su altre importanti proprietà. In base alla meccanica quantistica si sa che i possibili stati di moto dei nuclei e degli elettroni costituenti sono associati a ben determinati valori discreti dell'energia della molecola; il livello di energia più basso corrisponde allo stato fondamentale mentre gli altri livelli sono detti eccitati: una molecola in uno stato eccitato decade dopo un tempo più o meno breve nello stato fondamentale. In un atomo il passaggio da un livello a un altro è determinato da una variazione della sua configurazione elettronica. In una molecola esistono inoltre altri meccanismi di eccitazione di cui i più importanti sono associati a una variazione dello stato di vibrazione e di rotazione della molecola. Le transizioni di tipo più semplice sono quelle che avvengono tra due livelli energetici che differiscono unicamente nello stato di rotazione. Queste transizioni generano uno spettro rotazionale formato da una sequenza di linee approssimativamente equidistanti disposte prevalentemente nel lontano infrarosso e nella gamma delle microonde. Nella regione del vicino infrarosso si osserva un caratteristico spettro a bande generato dalle transizioni tra stati che differiscono sia per lo stato di rotazione sia per lo stato di vibrazione. Ogni banda è associata a una particolare transizione tra due diversi stati di vibrazione e le varie linee che formano la banda corrispondono alle possibili transizioni rotazionali che accompagnano la variazione dello stato di vibrazione. Un altro tipo di spettro a bande, di struttura più complessa, si osserva oltre che nell'infrarosso anche nella regione visibile e nell'ultravioletto ed è generato da una variazione della configurazione elettronica della molecola accompagnata da transizioni vibrazionali e rotazionali. L'intensità delle diverse righe spettrali dipende fortemente dal tipo di transizione associata. Un primo calcolo approssimativo sull'intensità relativa delle righe spettrali si basa sul principio di Franck e Condon: questo principio, fondato sul fatto che il moto degli elettroni nelle molecole è molto più veloce di quello dei nuclei che hanno una massa molto maggiore, asserisce che nel brevissimo tempo in cui avviene una transizione tra due diverse configurazioni elettroniche si può supporre che i nuclei non mutino né la posizione né la velocità. In base a questo principio è possibile valutare qualitativamente le transizioni più probabili, cioè in definitiva le righe spettrali più intense. Per ottenere dati più precisi si ricorre a complessi calcoli di meccanica quantistica.

Astronomia

Molecole interstellari. La scoperta di molecole interstellari è avvenuta principalmente grazie alle osservazioni radio-astronomiche che hanno rivelato la quasi totalità delle molecole poliatomiche oggi conosciute a partire dalla scoperta, nel 1968, delle molecole di acqua e di ammoniaca. La prima molecola individuata è stata quella di vapor acqueo nella galassia M33. Tra le molecole interstellari finora scoperte alcune sono particolarmente complesse e molte sono di origine organica. Queste ultime, scoperte a partire dal 1974, rivestono particolare importanza negli studi di possibili forme di vita basate, come la nostra, sulla chimica del carbonio. È stato mostrato da scienziati americani che molecole di vapor acqueo, metano e ammoniaca in gas di idrogeno esposte a scariche elettriche formano lunghe catene di molecole organiche anche di grande complessità e possono portare alla formazione dei più semplici amminoacidi. La massima parte delle molecole interstellari è stata scoperta nelle zone in cui si stanno tuttora formando stelle, e ciò fa pensare che la nascita di una stella e di un probabile sistema planetario intorno a essa avvenga da materiale che contiene già le molecole fondamentali per lo sviluppo degli amminoacidi.