CHEMISTRY: MYSTERY#2/ MISTERIO No.2

How do molecules form?

Molecular structures may be a mainstay of high school science classes, but the familiar picture of balls and sticks representing atoms and the bonds among them is largely a conventional fiction. The trouble is that scientists disagree on what a more accurate representation of molecules should look like. 

In the 1920s physicists Walter Heitler and Fritz London showed how to describe a chemical bond using the equations of then nascent quantum theory, and the great American chemist Linus Pauling proposed that bonds form when the electron orbitals of different atoms overlap in space. A competing theory by Robert Mulliken and Friedrich Hund suggested that bonds are the result of atomic orbitals merging into “molecular orbitals” that extend over more than one atom. Theoretical chemistry seemed about to become a branch of physics. 

Nearly 100 years later the molecular- orbital picture has become the most common one, but there is still no consensus among chemists that it is always the best way to look at molecules. The reason is that this model of molecules and all others are based on simplifying assumptions and are thus approximate, partial descriptions. In reality, a molecule is a bunch of atomic nuclei in a cloud of electrons, with opposing electrostatic forces fighting a constant tug-of-war with one another, and all components constantly moving and reshuffling. Existing models of the molecule usually try to crystallize such a dynamic entity into a static one and may capture some of its salient properties but neglect others. 

Quantum theory is unable to supply a unique definition of chemical bonds that accords with the intuition of chemists whose daily business is to make and break them. There are now many ways of describing molecules as atoms joined by bonds. According to quantum chemist Dominik Marx of Ruhr University Bochum in Germany, pretty much all such descriptions “are useful in some cases but fail in others.” 

Computer simulations can now calculate the structures and properties of molecules from quantum first principles with great accuracy—as long as the number of electrons is relatively small. “Computational chemistry can be pushed to the level of utmost realism and complexity,” Marx says. As a result, computer calculations can increasingly be regarded as a kind of virtual experiment that predicts the course of a reaction. Once the reaction to be simulated involves more than a few dozen electrons, however, the calculations quickly begin to overwhelm even the most powerful supercomputer, so the challenge will be to see whether the simulations can scale up—whether, for example, complicated biomolecular processes in the cell or sophisticated materials can be modeled this way. 

¿Cómo se forman las moléculas?

Las estructuras moleculares pueden ser el pilar de los cursos de ciencias, pero la imagen tan familiar de bolas y palos que representan a los átomos y enlaces entre ellos es en gran parte una ficción convencional. El problema es que los científicos no logran estar de acuerdo en como debería ser la representación exacta de las moléculas.

En la década de 1920 los físicos Walter Heitler y Fritz London mostraron cómo describir un enlace químico utilizando las ecuaciones de la entonces naciente teoría cuántica, y el gran químico estadounidense Linus Pauling propuso que los enlaces se forman cuando las órbitas de electrones de los átomos diferentes se superponen en el espacio. Una teoría que compite con la anterior, por Robert Mulliken y Hund Friedrich, sugiere que los enlaces son el resultado de cuando orbitales atómicos se fusionan en "orbitales moleculares en una extensión de más de un átomo. La química teórica parecía que estaba a punto de convertirse en una rama de la física.

Casi 100 años más tarde, la imagen de los orbitales moleculares se ha convertido en la más común, pero todavía no hay un acuerdo entre los químicos de que ésta siempre sea la mejor manera de ver las moléculas. La razón es que este modelo de moléculas y todos los demás se basan en suposiciones simplificadas y por ello son aproximadas, descripciones parciales. En realidad, una molécula es un conjunto de núcleos atómicos en una nube de electrones, con la oposición de las fuerzas electrostáticas que luchan un constante tira y afloja entre sí, y todos los componentes estan constante movimiento y reorganización. Los modelos existentes de la molécula por lo general tratan de cristalizar  una entidad dinámica en una estático y puede capturar algunas de sus propiedades sobresalientes, pero se descuidan otras.

La teoría cuántica es incapaz de proporcionar una única definición de los enlaces químicos lo cuál concuerda con la intuición de los químicos cuya actividad cotidiana consiste en hacer y deshacer dichos enlaces. Ahora hay muchas formas de describir moléculas como átomos unidos por enlaces. De acuerdo con Marx Dominik químico cuántico de la Universidad del Ruhr de Bochum en Alemania, casi todas las descripciones de este tipo "son útiles en algunos casos pero fallan en otros."

Las simulaciones por computadora, pueden ahora calcular con gran precisión las estructuras y propiedades de las moléculas usando principios cuánticos, siempre y cuando el número de electrones sea relativamente pequeño. "La química computacional puede ser empujada hacia un nivel de mayor realismo y complejidad", dice Marx. Como resultado, los cálculos por computadora cada vez puede ser considerado como un tipo de experimento virtual que predice el curso de una reacción. Una vez que la reacción a simular implica más de unas pocas decenas de electrones, entonces los cálculos rápidamente comienzan a sobrepasar, aun la supercomputadora más potente, por lo que el reto será ver hasta donde las simulaciones se puede escalar , si,  por ejemplo, complicados procesos biomoleculares en la celda o materiales sofisticados pueden ser simulados de esta forma.