Teoría de grupos y Simetría molecular

 La simetría es una propiedad de los objetos que tiene gran importancia en la Química, se utiliza por ejemplo en estructuras moleculares, en propiedades moleculares, o en las técnicas espectroscópicas. 

Mediante la utilización de relaciones de simetría, se consigue simplificar el tratamiento matemático de las diferentes teorías acerca de la estructura molecular.

La simetría de cualquier objeto puede clasificarse en función de las operaciones de simetría que pueden realizarse sobre el mismo. En este caso, los objetos estudiados son moléculas.

Toda operación de simetría cumple la condición de transformar una estructura molecular en otra equivalente aunque no identica, que posea las mismas propiedades físicas y químicas de la estructura inicial.

Los elementos de simetría son operadores geométricos. Cada elemento de simetría puede generar una o más operaciones de simetría.

Cualquier punto del espacio está definido por un vector cuyas componentes son las coordenadas del punto respecto a un sistema de coordenadas.Al aplicar las operaciones de simetría a una molécula, los puntos del espacio que ocupan sus átomos inicialmente cambian a otros puntos finales.

La transformación de los vectores iniciales en los finales se puede definir mediante ecuaciones matriciales que representarán a las operaciones de simetría. Con el conjuntos de números se puede construir un álgebra. Dicho álgebra se denomina Teoría de Grupos.

La Teoría de Grupos es de gran ayuda en diferentes áreas de la Química, como:

• Teorías de enlace y Mecánica cuántica.

• Estructura molecular y propiedades físicas.

• Espectroscopía.

Espectroscopía

Las moléculas orgánicas absorben la radiación electromagnética que provoca algún tipo de “movimiento” electrónico o mecánico en la molécula, que se denomina excitación. Esto sucede en paquetes discretos de energía, o cuantos (quantum=cantidad).

La energía radiante la poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, ondas de radio, rayos ultravioleta y los rayos infrarrojos;  todas las anteriores relacionadas por ser ondas  que tienen diferencias entre su frecuencia y longitud. Estas ondas se propagan en el vacío y son transmitidas por unidades llamadas fotones (paquetes de energía sin masa).

La energía de un fotón es directamente proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda, pudiendo ser calculada mediante la fórmula:

E= hv

                

      Donde h es la constante de Planck (6.626070 J*s) y  v (nu) la frecuencia expresada en Hz.

Las energías en los diferentes rangos provocan a nivel molecular y/o atómico distintos efectos en ellos.

•    ·Las energías de los rayos x el efecto producido es una ionización de las moléculas.
•     Las energías en el rango ultravioleta visible excitan los electrones a niveles de energía  mayores.
•     Las infrarrojas provocan vibración molecular
•     Las energías de microondas provocan rotaciones en los enlaces
•     Las energías en la región de radiofrecuencia provocan transición en el espín nuclear.

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Técnica espectroscópica	Información  proporcionada
Rayos X	Estructura total de la molécula y estereoquímica.
Ultravioleta-visible	Existencia de cromóforos y conjugación de la molécula.
Infrarrojo	Grupos funcionales.
Espectrómetro de masas	Formula molecular y subestructuras a partir de iones observados.
Resonancia magnética nuclear	Grupos funcionales, subestructuras, estereoquímica etc.

Dado que los compuestos pueden absorber energía radiante pasando de un estado energético a otro superior, dicha energía puede ser medida  por medio de un espectrómetro. Un espectrómetro es un aparato diseñado para permitir el paso de radiación de una longitud específica a través de una muestra. El espectrómetro se basa en un cambio en la intensidad de la radiación absorbida por una solución control (generalmente agua destilada) la cual nos brinda una línea base para que una vez que pase por la solución problema podremos obtener ese cambio de intensidad registrada en forma de señal.

Una vez registrada la cantidad de energía que absorbe un compuesto en función de su longitud de onda nos brindara características de esta la cual es el fundamento de la espectroscopía.