¿Se han demostrado las geometrías de las moléculas o nos basamos estrictamente en la teoría matemática? Por decirlo de forma demasiado simplista: ¿alguien ha tomado alguna vez una foto de una molécula para compararla con sus matemáticas?
Sí. Los investigadores llevan tiempo utilizando la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la microscopía de barrido en túnel (STM) para este fin. Hay que tener en cuenta que estas imágenes no son fotografías en el sentido en que solemos pensar en las "fotos" y que son mediciones indirectas de los componentes de la molécula. Sin embargo, sí que producen "imágenes" que muestran la geometría de la(s) molécula(s) en cuestión.
Véase, por ejemplo, este artículo de UC Berkeley News publicado en 2013 que describe las técnicas de manera adecuada para un no químico. El mismo artículo incluye imágenes de moléculas antes y después de que se produzca una reacción química.
También te animo (y a otros) a echar un vistazo a imágenes en la galería de imágenes de IBM STM que son bastante espectaculares.
Por último, como otros han comentado, la difracción de rayos X merece ser mencionada tanto desde una perspectiva histórica como científica. Como señala una persona, la estructura secundaria helicoidal del ADN fue determinada por Watson y Crick tras examinar las placas de difracción de rayos X obtenidas por el grupo de Franklin.
La importancia de la contribución de Franklin y la de Watson y Crick son logros monumentales. Dicho esto, la estructura que se dilucidó era la estructura secundaria de una gran biomolécula y, como tal, podría no ajustarse a sus criterios sobre lo "completa" que debe ser la "imagen" para satisfacer su pregunta.
He aquí el famoso resultado de la Foto 51 obtenido por el estudiante de doctorado de Rosalind Franklin, Raymond Gosling, que fue utilizado posteriormente por Watson y Crick.
Recientemente, los investigadores han obtenido imágenes de átomos individuales utilizando una combinación de STM y MRI - ver Física de la naturaleza. P. Willke et al. Imágenes de resonancia magnética de átomos individuales en una superficie. 1 de julio de 2019 .
Como primeros ejemplos de "toma de imágenes de moléculas" también se podrían considerar las imágenes de difracción de rayos X. Estas imágenes producidas por Rosalind Franklin ayudó a Crick y Watson a establecer la estructura de doble hélice del ADN.
El trabajo de Rosalind Franklin con el ADN merece sin duda ser incluido en esta respuesta. Sería particularmente interesante, creo, ya que no confirmar la geometría teórica de la molécula, ya que los teóricos no habían sido capaces, hasta ese momento, de determinar cuál era la geometría. En cambio, las imágenes daban pistas sobre la geometría de la molécula que informaban y completaban la teoría.
No hay que restarle tanta importancia a la difracción de rayos X. Es es también se hace para moléculas pequeñas, y las resoluciones altas (inferiores a 1 Å) permiten realmente ver átomos, ver el agujero en un anillo de benceno, etc.
Además de la respuesta proporcionada por Todd, también existe la técnica muy establecida de difracción de rayos X de un solo cristal .
El principio básico consiste en enviar rayos X a través de un solo cristal de un compuesto. Estos rayos X interactúan con los electrones de las moléculas o iones en cuestión de una manera determinada que da lugar a un patrón de difracción (básicamente, una serie de puntos en un determinado orden regular). A partir de ellos y de una serie de cálculos matemáticos a veces bastante complicados, se puede determinar la posición de los átomos en el compuesto. Esto permite medir las longitudes y los ángulos de los enlaces.
La advertencia de este método es que requiere un cristal, y se sabe que muchos compuestos muestran una estructura diferente en estado sólido que en estado líquido o gaseoso (por ejemplo $\ce{SbF5}$ es una bipirámide trigonal monomérica en fase gaseosa pero se condensa en $\ce{SbF6}$ -octaedros con átomos de flúor compartidos en estado sólido). Esto se puede superar un poco recurriendo a dispersión de rayos X de ángulo pequeño o SAXS.
El SAXS se realiza normalmente en macromoléculas en solución. Y debido a las matemáticas de difracción que he mencionado antes, la dispersión de ángulo pequeño de SAXS proporciona principalmente la forma general de un compuesto, es decir, una "estructura de patata". Sólo junto con la difracción de un solo cristal puede traducirse en una disposición de los átomos, pero como la SAXS se realiza en soluciones, la combinación de ambas permite determinar la estructura en solución, lo que es excepcionalmente importante para las proteínas.
Nota anecdótica: la difracción de rayos X fue la técnica que abrió el camino al concepto de iones. $\ce{NaCl}$ fue uno de los primeros compuestos que se analizaron y se demostró que no hay $\ce{Na-Cl}$ moléculas, sino una estructura cristalina tridimensional regular. A algunos científicos les costó aceptarlo y desestimaron la difracción de rayos X por "querer refutar $\ce{NaCl}$ moléculas".
En 2005, un microscopio de iones de campo captó una imagen de un aguja de tungsteno muy afilada . Los pequeños rasgos redondos son átomos individuales.
A una escala aún más pequeña que la de las moléculas, un microscopio cuántico ha visualizado la orbital del electrón de un átomo de hidrógeno :
I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.
3 votos
Relacionado: Propiedades atómicas
13 votos
Ver también Cristalografía de rayos X para otro medio indirecto por el que se ha "visto" la estructura molecular.
2 votos
Aunque la cristalografía de rayos X produce "puntos" que pueden y son asignados a coordenadas atómicas, no resuelve la densidad electrónica en el grado en que lo hacen el AFM y el STM (y sus homólogos más avanzados) - no se muestran los enlaces, y hasta hace poco, los átomos de hidrógeno han estado completamente ausentes de las estructuras cristalinas de DRX. Afirmo que el grado de inferencia que se utiliza para interpretar las manchas de DRX no es tan pronunciado como en las imágenes obtenidas con AFM y STM.
7 votos
En realidad, es al revés. Salvo para las moléculas más simples, nuestras imágenes son mejores que nuestras matemáticas. Intentar calcular formas se complica muy rápidamente.