CECYTEM CUARTA SESIÓN EL ENLACE QUÍMICO Enlace químico 1 INTRODUCCIÓN Enlace químico, fuerza entre los átomos que los mantiene unidos en las moléculas. Cuando dos o más átomos se acercan lo suficiente, se puede producir una fuerza de atracción entre los electrones de los átomos individuales y el núcleo de otro u otros átomos. Si esta fuerza es lo suficientemente grande para mantener unidos los átomos, se dice que se ha formado un enlace químico. Todos los enlaces químicos resultan de la atracción simultánea de uno o más electrones por más de un núcleo. 2 TIPOS DE ENLACE Si los átomos enlazados son elementos metálicos, el enlace se llama metálico. Los electrones son compartidos por los átomos, pero se pueden mover a través del sólido proporcionando conductividad térmica y eléctrica, brillo, maleabilidad y ductilidad. Véase Metales. Si los átomos enlazados son no metales e idénticos (como en N2 o en O2), los electrones son compartidos por igual por los dos átomos, y el enlace se llama covalente apolar. Si los átomos son no metales pero distintos (como en el óxido nítrico, NO), los electrones son compartidos en forma desigual y el enlace se llama covalente polar — polar porque la molécula tiene un polo eléctrico positivo y otro negativo, y covalente porque los átomos comparten los electrones, aunque sea en forma desigual. Estas sustancias no conducen la electricidad, ni tienen brillo, ductilidad o maleabilidad. Cuando una molécula de una sustancia contiene átomos de metales y no metales, los electrones son atraídos con más fuerza por los no metales, que se transforman en iones con carga negativa; los metales, a su vez, se convierten en iones con carga positiva. Entonces, los iones de diferente signo se atraen electrostáticamente, formando enlaces iónicos. Las sustancias iónicas conducen la electricidad cuando están en estado líquido o en disolución acuosa, pero no en estado cristalino porque los iones individuales son demasiado grandes para moverse libremente a través del cristal. Cuando los electrones son compartidos simétricamente, el enlace puede ser metálico o covalente apolar; si son compartidos asimétricamente, el enlace es covalente polar; la transferencia de electrones proporciona enlace iónico. Generalmente, la tendencia a una distribución desigual de los electrones entre un par de átomos aumenta cuanto más separados están en la tabla periódica. Para la formación de iones estables y enlace covalente, la norma más común es que cada átomo consiga tener el mismo número de electrones que el elemento de los gases nobles —grupo 18— más cercano a él en la tabla periódica. Los metales de los grupos 1 (o IA) y 11 (o IB) de la tabla periódica tienden a perder un electrón para formar iones con una carga positiva; los de los grupos 2 (o IIA) y 12 (o IIB) tienden a perder dos electrones para formar iones con dos cargas positivas, y de la misma forma los de los grupos 3 (o IIIB) y 13 (o IIIA) tienden a formar iones con tres cargas positivas. Por la misma razón, los halógenos, grupo 17 (o VIIA), tienden a ganar un electrón para formar iones con una carga negativa, y los elementos del grupo 16 (o VIA) a formar iones con dos cargas negativas. Sin embargo, conforme aumenta la carga neta de un ion, éste tiene menos estabilidad, así que las cargas aparentemente mayores serían minimizadas compartiendo los electrones en enlaces covalentes. El enlace covalente se forma cuando ambos átomos carecen del número de electrones del gas noble más cercano. El átomo de cloro, por ejemplo, tiene un electrón menos que el átomo de argón (17 frente a 18). Cuando dos átomos de cloro forman un enlace covalente compartiendo dos electrones, uno de cada átomo (Cl:Cl), ambos consiguen el número 18 del argón. Es común representar un par de electrones compartido por medio de un guión entre los átomos individuales: Cl:Cl se escribe ClCl. De forma similar, el nitrógeno atómico tiene tres electrones menos que el neón (diez), pero cada nitrógeno puede conseguir el número de electrones del gas noble si comparten seis electrones: NN o NN. Esto se denomina enlace triple. Análogamente, el azufre puede conseguir el número del argón compartiendo cuatro electrones en un enlace doble, S::S o SS. En el dióxido de carbono, tanto el carbono (con sus seis electrones) como el oxígeno (con ocho) consiguen el número de electrones del neón (diez) compartiéndolos en enlaces dobles: OCO. En todas estas fórmulas, sólo se representan los electrones compartidos. 3 VALENCIA En la mayoría de los átomos, muchos de los electrones son atraídos con tal fuerza por sus propios núcleos que no pueden interaccionar de forma apreciable con otros núcleos. Sólo los electrones del “exterior” de un átomo pueden interaccionar con dos o más núcleos. A éstos se les llama electrones de valencia. El número de electrones de valencia de un átomo es igual al número de su familia (o grupo) en la tabla periódica, usando sólo la antigua numeración romana. Así, tenemos un electrón de valencia para los elementos de los grupos 1 (o IA) y 11 (o IB); dos electrones de valencia para los elementos de los grupos 2 (o IIA) y 12 (o IIB), y cuatro para los elementos de los grupos 4 (o IVB) y 14 (o IVA). Todos los átomos de los gases nobles excepto el helio (o sea: neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen ocho electrones de valencia. Los elementos de las familias (grupos) cercanas a los gases nobles tienden a reaccionar para adquirir la configuración de ocho electrones de valencia de los gases nobles. Esto se conoce como la regla del octeto de Lewis, que fue enunciada por el químico estadounidense Gilbert N. Lewis. El helio es el único que tiene una configuración de dos electrones de valencia. Los elementos cercanos al helio tienden a adquirir una configuración de valencia de dos: el hidrógeno ganando un electrón, el litio perdiéndolo, y el berilio perdiendo dos electrones. El hidrógeno suele compartir su único electrón con un electrón de otro átomo formando un enlace simple, como en el cloruro de hidrógeno, HCl. El cloro, que originalmente tiene siete electrones de valencia, pasa a tener ocho. Esos electrones de valencia pueden representarse como: o como . Las estructuras de N2 y CO2 se pueden expresar ahora o y o . Estas estructuras de Lewis muestran la configuración de ocho electrones de valencia de los gases nobles para cada átomo. Probablemente el 80% de los compuestos covalentes pueden ser representados razonablemente por las estructuras electrónicas de Lewis. El resto, en especial aquellos que contienen elementos de la parte central de la tabla periódica, no puede ser descrito normalmente en términos de estructuras de gases nobles. 4 RESONANCIA Una extensión interesante de la estructura de Lewis, llamada resonancia, se encuentra por ejemplo en los iones nitrato, NO 3-. Cada N tiene originalmente cinco electrones de valencia, cada O tiene seis, y uno más por la carga negativa, suman un total de 24 (5 + (3 × 6) + 1) electrones para cuatro átomos. Esto proporciona un promedio de seis electrones por átomo, por tanto, si se aplica la regla del octeto de Lewis, debe producirse un enlace covalente. Se sabe que el átomo de nitrógeno ocupa una posición central rodeado por los tres átomos de oxígeno, lo que proporcionaría una estructura de Lewis aceptable, excepto porque existen tres estructuras posibles. En realidad, sólo se observa una estructura. Cada estructura de resonancia de Lewis sugiere que debe haber dos enlaces simples y uno doble. Sin embargo, los experimentos han demostrado que los enlaces son idénticos en todos los sentidos, con propiedades intermedias entre las observadas para los enlaces simples y los dobles en otros compuestos. La teoría moderna sugiere que una estructura de electrones compartidos localizados, tipo Lewis, proporcionaría la forma y simetría general de la molécula más un grupo de electrones deslocalizados (representados por puntos) que son compartidos por toda la molécula. Microsoft ® Encarta ® 2006. © 1993-2005 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos. Compuesto de coordinación Compuesto de coordinación, compuesto en el que un átomo metálico o un ion positivo se encuentra rodeado de moléculas neutras o iones negativos formando enlaces con él. Estos compuestos se utilizan como catalizadores y suelen ser coloreados, por lo que se emplean como colorantes o tintes. Se les denomina también complejos. En los compuestos de coordinación, el metal suele ser un metal de transición (véase Elementos de transición). Las moléculas neutras o iones negativos se denominan ligandos y forman enlaces con el metal a través de sus pares de electrones libres; estos enlaces son covalentes de tipo dativo (aquéllos en los que los dos electrones del enlace provienen de uno sólo de los átomos implicados en el enlace). Son ligandos habituales el amoníaco (NH3), el agua (H2O), los iones cloruro (Cl-) y los iones hidróxido (OH-). Los complejos pueden estar cargados positiva o negativamente, o también pueden ser neutros, dependiendo de la suma de las cargas del metal y los ligandos. El número de ligandos que rodean al metal recibe el nombre de número o índice de coordinación del complejo. Los números o índices de coordinación más habituales son 4 y 6. Los complejos tetracoordinados suelen ser cuadrados o tetraédricos, mientras que los hexacoordinados son octaédricos. A continuación se muestran algunos ejemplos. El cis-platino es una molécula tetracoordinada planocuadrada, y se utiliza en la quimioterapia anticancerígena. Es eléctricamente neutra: el platino está en forma de ion con carga +2, los dos ligandos amoníaco son neutros y los dos cloruros poseen una carga negativa cada uno. El anión tetraédrico tetraclorocobalto (II) posee carga negativa porque el ion cobalto (Co2+) está rodeado de cuatro ligandos cloruro con una carga negativa cada uno. El catión hexaacuoníquel (II) tiene carga positiva, ya que el ion Ni2+ está rodeado por seis moléculas de agua neutras dispuestas en las esquinas de un octaedro. Los quelatos son compuestos de coordinación en los que el ligando posee dos o más puntos de unión con el metal. El ligando 1,2diaminoetano (etilendiamina) es un ejemplo de ligando bidentado. Entre los numerosos ejemplos de complejos fuertemente coloreados se encuentra el catión tetraacuocobre (II), Cu(H2O)42+, que es el responsable del color azul del sulfato de cobre. Otro complejo de este tipo es el catión pentaacuotiocianatohierro (III), Fe(H2O)5SCN2+, que confiere a las disoluciones un color rojo sangre. Microsoft ® Encarta ® 2006. © 1993-2005 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos. Compuesto organometálico Compuesto organometálico, compuesto en el que los átomos de carbono forman enlaces covalentes (comparten electrones) con un átomo metálico. Los compuestos basados en cadenas y anillos de átomos de carbono se llaman orgánicos, y éste es el fundamento del nombre ‘organometálicos’. Este grupo incluye un elevado número de compuestos y algunos químicos lo consideran un grupo distinto al de los compuestos orgánicos e inorgánicos. Entre los primeros compuestos organometálicos conocidos se encuentran los reactivos de Grignard, conocidos así por su descubridor, el químico francés Victor Grignard. Su fórmula es RMgX, donde R es un grupo orgánico alquilo y X es un halógeno. Un ejemplo es el bromuro de etilmagnesio, C2H5MgBr. Los reactivos de Grignard se preparan por reacción de un haloalcano, como el bromoetano, con magnesio en éter. El enlace carbonomagnesio es muy polar, es decir, tiene muy separadas las regiones de carga positiva (sobre el magnesio) y negativa (sobre el carbono). El compuesto resultante reacciona como si tuviera iones R -. Debido a su reactividad, los reactivos de Grignard son muy útiles para preparar una gran variedad de compuestos orgánicos. En la década de 1950 se prepararon los primeros compuestos organometálicos que contenían metales de transición (véase Elementos de transición). Entre éstos se incluye un grupo de compuestos conocidos como ‘compuestos tipo sandwich’, en los que un átomo metálico se encuentra entre dos anillos orgánicos, a modo de sandwich. El más estable de todos ellos se llama ferroceno y posee un átomo de hierro entre dos anillos de ciclopentadieno. El hierro está como ion Fe2+ y cada uno de los anillos tiene una carga negativa. En la actualidad se conoce una familia de compuestos similares, con una gran variedad de metales y anillos de distintos tamaños. Los compuestos organometálicos tienen aplicaciones muy variadas. Algunos ejemplos son: • El tetraetilplomo, Pb(C2H5)4, es un aditivo de las gasolinas que actúa como antidetonante. • Los compuestos organolíticos y organoalumínicos se utilizan como catalizadores en reacciones de polimerización. • El trietilaluminio, Al(C2H5)3, forma parte del catalizador de ZieglerNatta, que se utiliza, por ejemplo, para la producción de polietileno y polipropeno. Este catalizador hace posible la polimerización del etileno a una temperatura inferior a 50 °C y una presión inferior a 50 atmósferas, en contra de los 300 °C y las 2.000 atmósferas que se necesitarían en ausencia de catalizador (véase Giulio Natta; Karl Ziegler). Algunas moléculas de importancia biológica son organometálicas, por ejemplo: • La clorofila, la molécula responsable de la absorción de luz en la fotosíntesis, posee un átomo de magnesio en el centro de una serie de anillos orgánicos. • La hemoglobina, la molécula que transporta el oxígeno en la sangre, posee un sistema de anillos similar al de la clorofila, pero con un átomo de hierro. Cuatro de estos anillos hemo se unen a una proteína constituyendo la hemoglobina. • La vitamina B12 presenta un sistema cíclico similar, pero contiene cobalto metal. Microsoft ® Encarta ® 2006. © 1993-2005 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos. Electronegatividad Electronegatividad, capacidad de un átomo de un elemento de atraer hacia sí los electrones compartidos de su enlace covalente con un átomo de otro elemento. Los valores de la electronegatividad de los elementos representativos aumentan de izquierda a derecha en la tabla periódica, a medida que aumenta el número de electrones de valencia y disminuye el tamaño de los átomos. El flúor, de afinidad electrónica muy elevada, y cuyos átomos son pequeños, es el elemento más electronegativo y, en consecuencia, atrae a los electrones muy fuertemente. Dentro de un grupo, la electronegatividad disminuye, generalmente, al aumentar el número y el radio atómicos. El cesio, el elemento representativo de mayor tamaño y de menor energía de ionización, es el menos electronegativo de estos elementos. Un átomo electronegativo tiende a tener una carga parcial negativa en un enlace covalente, o a formar un ion negativo por ganancia de electrones. Dos átomos con electronegatividades muy diferentes forman un enlace iónico. Pares de átomos con diferencias pequeñas de electronegatividad forman enlaces covalentes polares con la carga negativa en el átomo de mayor electronegatividad. Microsoft ® Encarta ® 2006. © 1993-2005 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos. Estructura molecular 1 INTRODUCCIÓN Estructura molecular, distribución de los átomos en un compuesto por medio de los enlaces químicos. Existen varios tipos de enlace y las características típicas de la sustancia se deben a ellos. Cuando los átomos de un elemento pierden uno o más electrones se convierten en iones cargados positivamente (cationes). Estos electrones son captados por los átomos de otro elemento, convirtiéndolos en iones cargados negativamente (aniones). Como las cargas positivas y negativas se atraen, esos cationes y aniones se unen mediante un enlace iónico para formar un conjunto que consiste en grandes cantidades de iones de ambas clases. El compuesto resultante se llama compuesto iónico. Un ejemplo es el cloruro de sodio, que está compuesto por la misma cantidad de cationes de sodio y aniones de cloro. Casi todos los compuestos iónicos contienen un elemento metálico, porque sólo estos elementos pueden perder electrones fácilmente y formar cationes, y un elemento no metálico que capta los electrones. Los átomos de los compuestos que no son iónicos se mantienen unidos por enlaces covalentes. Un enlace covalente consiste en un par de electrones que son compartidos por dos átomos vecinos. Los enlaces covalentes son típicos entre los elementos no metálicos. Hay dos clases principales de sustancias con enlaces covalentes: las sustancias moleculares y los sólidos covalentes reticulares. 2 COMPUESTOS IÓNICOS Los compuestos iónicos son siempre sólidos a temperatura y presión ordinarias. Tienen puntos de fusión y de ebullición altos debido a las fuertes interacciones entre los iones de carga distinta. Son también frágiles, pues un golpe fuerte desplaza a los iones de sus posiciones estables astillando el cristal. Al disolver los compuestos iónicos en agua, los iones se separan proporcionando una disolución electrolítica que conduce la electricidad. Estos compuestos también conducen la electricidad cuando se funden, porque entonces los iones están libres y pueden desplazarse. Los compuestos iónicos suelen tener densidades bastante bajas, ya que es difícil que los iones estén unidos estrechamente debido a las fuertes repulsiones entre iones de la misma carga. 3 COMPUESTOS MOLECULARES Los compuestos moleculares consisten en moléculas individuales en las que un número definido de átomos se unen formando una distribución espacial determinada. El número de átomos de una molécula puede variar entre dos (como en el hidrógeno molecular, H2, en el que están unidos dos átomos de hidrógeno), hasta varios miles, como en las moléculas proteínicas (proteínas) que controlan los procesos biológicos, y en los polímeros naturales y sintéticos que se utilizan en los materiales estructurales. Las sustancias con moléculas compuestas por un número pequeño de átomos tienen generalmente puntos de fusión y ebullición bajos ya que las moléculas se pueden separar entre sí muy fácilmente. Las sustancias que son líquidas o gaseosas a temperatura ambiente son compuestos moleculares, como también lo son muchas de las que se funden al calentarlas. Los compuestos moleculares suelen ser blandos y muchos son tan frágiles como los compuestos iónicos porque las moléculas están unidas entre sí en una forma especial y altamente direccional (enlace de hidrógeno). Algunas moléculas se descomponen al calentarlas, y en lugar del líquido o el gas, sólo se obtienen productos de descomposición. Esto ocurre con muchas de las moléculas orgánicas de mayor tamaño. Cada molécula individual de un compuesto consiste en un número específico de átomos distribuidos de una forma característica en el espacio, es decir, cada molécula tiene una forma y una composición atómica definida. La forma se indica normalmente proporcionando las longitudes de los enlaces entre los átomos (la distancia entre los núcleos de los átomos unidos) y los ángulos entre los enlaces del mismo átomo. Tanto las longitudes como los ángulos se determinan por espectroscopia o difracción de rayos X. Una molécula no es una entidad completamente rígida, sino que las longitudes y ángulos de los enlaces varían ligeramente conforme los átomos oscilan alrededor de sus posiciones medias; este movimiento se llama vibración molecular. Las moléculas de los gases giran también. En los líquidos, el movimiento de la molécula es semejante a un movimiento de acrobacia caótico, en lugar de la rotación libre y suave característica de los gases. Las propiedades de las moléculas dependen de los detalles de su distribución electrónica y de su forma. Aunque un par de electrones se comparta para formar un enlace covalente, ese reparto no es exactamente igual a menos que los átomos unidos por el enlace sean idénticos. Por ejemplo, en la molécula de agua (H2O), cada átomo de hidrógeno posee una carga parcial positiva y el átomo de oxígeno posee una carga parcial negativa que compensa a la positiva, porque un átomo de oxígeno ejerce un poder de atracción más fuerte sobre los electrones que un átomo de hidrógeno. Se dice que el oxígeno tiene una electronegatividad mayor que la del hidrógeno y, como resultado de este reparto desigual de los electrones, cada enlace OH es polar en el sentido de que tiene cargas parciales de los dos átomos. En cambio, el carbono y el hidrógeno tienen electronegatividades similares; el par electrónico que comparten está repartido casi por igual y ningún átomo tiene una carga parcial, con lo que los enlaces CH son prácticamente no polares. La presencia de enlaces polares en una molécula tiene implicaciones importantes en las propiedades del compuesto. En particular, el agua actúa como un buen disolvente de muchos compuestos iónicos, lo que no es el caso de los hidrocarburos líquidos. La capacidad para actuar como disolvente procede de la habilidad de las cargas parciales para imitar a las cargas que rodean a un ion en un compuesto iónico: como resultado, apenas si hay diferencia de energía entre un ion de un sólido iónico y un ion rodeado por las cargas parciales de los disolventes polares. Sin embargo, un hidrocarburo (compuesto de carbono e hidrógeno, como el benceno), al ser no polar, no puede imitar a las cargas iónicas, y por tanto se necesita tanta energía para romper el sólido iónico que el hidrocarburo no actúa como disolvente de los compuestos iónicos. 4 SÓLIDOS COVALENTES RETICULARES Otros compuestos covalentes importantes son los sólidos covalentes reticulares. Estos materiales contienen cantidades indefinidamente grandes de átomos unidos entre ellos por enlaces covalentes, formando una red que se extiende por todo el cristal. El diamante es un ejemplo famoso, donde cada átomo de carbono se une a otros cuatro formando una red casi infinita de átomos. Como en el caso del diamante, estos sólidos reticulares son rígidos y duros, y pueden tener puntos de fusión y de ebullición muy altos. Otro ejemplo de sólido covalente reticular es un compuesto de boro y nitrógeno, en el que los átomos de ambos elementos están unidos en forma semejante a la de los átomos de carbono en el diamante; este compuesto también es muy duro. Microsoft ® Encarta ® 2006. © 1993-2005 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos. Molécula 1 INTRODUCCIÓN Molécula, la partícula más pequeña de una sustancia, que mantiene las propiedades químicas específicas de esa sustancia. Si una molécula se divide en partes aún más pequeñas, éstas tendrán una naturaleza diferente de la sustancia original. Por ejemplo, una muestra de agua puede dividirse en dos partes, y cada una dividirse a su vez en muestras de agua más pequeñas. El proceso de división y subdivisión finaliza al llegar a la molécula simple de agua, que si se divide dará lugar a algo que ya no es agua: hidrógeno y oxígeno. Cada molécula se presenta independientemente de las demás. Si se encuentran dos moléculas, se suele producir un rebote sin que ocurran cambios fundamentales. En caso de encuentros más violentos se producen alteraciones en la composición de las moléculas, y pueden tener lugar transformaciones químicas. Las moléculas de los compuestos están constituidas por átomos de los elementos que los forman. Se dice que una molécula es diatómica cuando está compuesta por dos átomos y poliatómica si tiene gran número de átomos. Existen moléculas compuestas de cientos, miles, incluso millones de átomos. Gran parte de la química moderna está dedicada al estudio de la composición, estructura y tamaño de las moléculas. Para estudiar las moléculas y sus reacciones se emplean descargas de rayos láser de cortísima duración. Las moléculas simples son las de menor tamaño. Así, las moléculas de hidrógeno tienen un diámetro de unos 10-10 m, y una masa de unos 3 × 10-27 kg. Otras moléculas más complejas adoptan la forma de cadenas, anillos o hélices. 2 TEORÍA MOLECULAR El concepto de molécula, diferenciado del concepto de átomo, fue enunciado por el químico italiano Amedeo Avogadro en 1811. En la llamada ley de Avogadro se establece que bajo una temperatura y presión dadas, volúmenes iguales de dos gases cualesquiera contienen el mismo número de moléculas. Este planteamiento facilitó el modo de comparación de la masa relativa de las moléculas y la determinación comparativa de la masa de los átomos. Gran parte de la física y química modernas se basan en esta premisa. Véase Número de Avogadro. Una ampliación de la teoría molecular de Avogadro es la teoría cinética, desarrollada por varios químicos, como el británico James Clerk Maxwell, el holandés Johannes Diderik van der Waals y el austriaco Ludwig Boltzmann. Según esta teoría, las moléculas se encuentran en constante movimiento que aumenta con la temperatura. Cuando la molécula está compuesta por más de un átomo se produce un fenómeno de vibración dentro de la misma y una rotación semejante a la de la Luna alrededor de la Tierra. Para percibir estos fenómenos de rotación y vibración internos se emplean diversos métodos como la espectroscopia o la medición del calor específico. En 1989, los físicos determinaron por primera vez el proceso completo de la reacción molecular más simple (interviniendo átomos de hidrógeno) en términos de la teoría cuántica. 3 MASA MOLECULAR La masa de una molécula puede determinarse a través de experimentos o el cálculo simple. La masa molecular de los átomos elementales, como el carbono 12, es la misma que su masa atómica, ya conocida (véase Átomo: Masa atómica). Si partimos de una molécula de estructura atómica conocida, podemos calcular su masa molecular. Así, el agua (H2O), que tiene dos átomos de hidrógeno (la masa atómica del átomo de hidrógeno es igual a uno) y un átomo de oxígeno (la masa atómica de un átomo de oxígeno es igual a 16), tiene una masa molecular igual a 18. Algunas moléculas más complejas pueden llegar a tener una masa molecular de cientos de millones. En la determinación experimental de la masa molecular de una sustancia, se calcula la masa real en gramos por mol.