Enlaces químicos (página 2)

Partes: 1, 2

Para lograr ese estado ideal,
los átomos suelen utilizar una o varias de estas tres
estrategias:
ceder o captar electrones, compartir electrones con otro átomo o
ponerlos en común junto con otros muchos. De estas tres
posibilidades nacen los tres tipos de enlace
químico: iónico, covalente y
metálico.

Enlace iónico

El enlace iónico consiste en la atracción
electrostática entre átomos con
cargas eléctricas de signo contrario. Este tipo de enlace
se establece entre átomos de elementos poco
electronegativos con los de elementos muy electronegativos. Es
necesario que uno de los elementos pueda ganar electrones y el
otro perderlo, y como se ha dicho anteriormente este tipo de
enlace se suele producir entre un no metal (electronegativo) y un
metal (electropositivo).

Un ejemplo de sustancia con enlace iónico es el cloruro
sódico. En su formación tiene lugar la
transferencia de un electrón del átomo de sodio al
átomo de cloro. Las configuraciones electrónicas de
estos elementos después del proceso de
ionización son muy importantes, ya que lo dos han
conseguido la configuración externa correspondiente a los
gases nobles,
ganando los átomos en estabilidad. Se produce una
transferencia electrónica, cuyo déficit se cubre
sobradamente con la energía que se libera al agruparse los
iones formados en una red cristalina que, en
el caso del cloruro sódico, es una red cúbica en la que
en los vértices del paralelepípedo fundamental
alternan iones Cl- y Na+. De esta forma
cada ion Cl- queda rodeado de seis iones
Na+ y recíprocamente. Se llama índice de
coordinación al número de iones de
signo contrario que rodean a uno determinado en una red
cristalina. En el caso del NaCl, el índice de
coordinación es 6 para ambos

Propiedades de los compuestos iónicos

Las sustancias iónicas están constituidas por
iones ordenados en el retículo cristalino; las fuerzas que
mantienen esta ordenación son fuerzas de Coulomb, muy
intensas. Esto hace que las sustancias iónicas sean
sólidos cristalinos con puntos de fusión
elevados. En efecto, para fundir un cristal iónico hay que
deshacer la red cristalina, separar los iones.

El aporte de energía necesario para la fusión,
en forma de energía térmica, ha de igualar al de
energía reticular, que es la energía desprendida en
la formación de un mol de compuesto iónico
sólido a partir de los correspondientes iones en estado
gaseoso. Esto hace que haya una relación entre
energía reticular y punto de fusión, siendo
éste tanto más elevado cuanto mayor es el valor de
aquella.

Por otra parte, la aparición de fuerzas repulsivas muy
intensas cuando dos iones se aproximan a distancias inferiores a
la distancia reticular (distancia en la que quedan en la red dos
iones de signo contrario), hace que los cristales iónicos
sean muy poco compresibles. Hay sustancias cuyas
moléculas, si bien son eléctricamente neutras,
mantienen una separación de cargas.

Esto se debe a que no hay coincidencia entre el centro de
gravedad de las cargas positivas y el de las negativas: la
molécula es un dipolo, es decir, un conjunto de dos

Cargas iguales en valor absoluto pero de distinto signo,
separadas a una cierta distancia. Los dipolos se caracterizan por
su momento; producto del
valor absoluto de una de las cargas por la distancia que las
separa. Un de estas sustancias polares es, por ejemplo el agua.

Cuando un compuesto iónico se introduce en un
disolvente polar, los iones de la superficie de cristal provocan
a su alrededor una orientación de las moléculas
dipolares, que enfrentan hacia cada ion sus extremos con carga
opuesta a la del mismo. En este proceso de orientación se
libera una energía que, si supera a la energía
reticular, arranca al ion de la red. Una vez arrancado, el ion se
rodea de moléculas de disolvente: queda solvatado. Las
moléculas de disolvente alrededor de los iones se
comportan como capas protectoras que impiden la
reagrupación de los mismos. Todo esto hace que, en
general, los compuestos iónicos sean solubles en
disolventes polares, aunque dependiendo siempre la solubilidad
del valor de la energía reticular y del momento dipolar
del disolvente. Así, un compuesto como el NaCl, es muy
soluble en disolventes como el agua, y un
compuesto como el sulfato de bario, con alta energía
reticular, no es soluble en los disolventes de momento dipolar
muy elevado.

Enlace covalente

Lewis expuso la teoría
de que todos los elementos tienen tendencia a conseguir
configuración electrónica de gas noble (8
electrones en la última capa). Elementos situados a la
derecha de la tabla
periódica ( no metales )
consiguen dicha configuración por captura de electrones;
elementos situados a la izquierda y en el centro de la tabla (
metales ), la consiguen por pérdida de electrones. De esta
forma la combinación de un metal con un no metal se hace
por enlace iónico; pero la combinación de no
metales entre sí no puede tener lugar mediante este
proceso de transferencia de electrones; por lo que Lewis supuso
que debían compartirlos.

Es posible también la formación de enlaces
múltiples, o sea, la compartición de más de
un par de electrones por una pareja de átomos. En otros
casos, el par compartido es aportado por sólo uno de los
átomos, formándose entonces un enlace que se llama
coordinado o dativo. Se han encontrado compuestos covalentes en
donde no se cumple la regla. Por ejemplo, en BCl3, el
átomo de boro tiene seis electrones en la última
capa, y en SF6, el átomo de azufre consigue
hasta doce electrones.

Esto hace que actualmente se piense que lo
característico del enlace covalente es la formación
de pares electrónicos compartidos, independientemente de
su número.

Fuerzas
intermoleculares

A diferencia que sucede con los compuestos iónicos, en
las sustancias covalentes existen moléculas
individualizadas. Entre estas moléculas se dan fuerzas de
cohesión o de Van der Waals, que debido a su debilidad, no
pueden considerarse ya como fuerzas de enlace.

Hay varios tipos de interacciones: Fuerzas de
orientación (aparecen entre moléculas con momento
dipolar diferente), fuerzas de inducción (ion o dipolo permanente producen
en una molécula no polar una separación de cargas
por el fenómeno de inducción electrostática)
y fuerzas de dispersión (aparecen en tres moléculas
no polares).

Propiedades de los compuestos covalentes

Las fuerzas de Van der Waals pueden llegar a mantener
ordenaciones cristalinas, pero los puntos de fusión de las
sustancias covalentes son siempre bajos, ya que la
agitación térmica domina, ya a temperaturas bajas,
sobre las débiles fuerzas de cohesión. La mayor
parte de las sustancias covalentes, a temperatura
ambiente, son
gases o líquidos de punto de ebullición bajo (por
ejemplo el agua). En cuanto a la solubilidad, puede decirse que,
en general, las sustancias covalentes son solubles en disolventes
no polares y no lo son en disolventes polares. Se conocen algunos
sólidos covalentes prácticamente infusibles e
insolubles, que son excepción al comportamiento
general descrito. Un ejemplo de ellos es el diamante. La gran
estabilidad de estas redes cristalinas se debe a
que los átomos que las forman están unidos entre
sí mediante enlaces covalentes. Para deshacer la red es
necesario romper estos enlaces, los cual consume enormes
cantidades de energía.

Electrovalencia y covalencia

Teniendo presenta las teorías
de los enlaces iónicos y covalentes, es posible deducir la
valencia de un elemento cualquiera a partir de su
configuración electrónica.

La electrovalencia, valencia en la formación de
compuestos iónicos, es el número de electrones
que el átomo tiene que ganar o perder para conseguir la
configuración de los gases nobles.
La covalencia, número de enlaces covalentes que
puede formar un átomo, es el número de electrones
desapareados que tiene dicho átomo. Hay que tener
presente que un átomo puede desaparecer sus electrones
al máximo siempre que para ello no haya de pasar
ningún electrón a un nivel energético
superior.

Enlace metálico:

Los elementos metálicos sin combinar forman redes
cristalinas con elevado índice de coordinación. Hay
tres tipos de red cristalina metálica: cúbica
centrada en las caras, con coordinación doce;
cúbica centrada en el cuerpo, con coordinación
ocho, y hexagonal compacta, con coordinación doce. Sin
embargo, el número de electrones de valencia de cualquier
átomo metálico es pequeño, en todo caso
inferior al número de átomos que rodean a un dado,
por lo cual no es posible suponer el establecimiento de tantos
enlaces covalentes.

En el enlace metálico, los átomos se transforman
en iones y electrones, en lugar de pasar a un átomo
adyacente, se desplazan alrededor de muchos átomos.
Intuitivamente, la red cristalina metálica puede
considerarse formada por una serie de átomos alrededor de
los cuales los electrones sueltos forman una nube que mantiene
unido al conjunto.

Polaridad de
los enlaces:

En el caso de moléculas heteronucleares, uno de los
átomos tendrá mayor electronegatividad que el otro
y, en consecuencia, atraerá mas fuertemente hacia
sí al par electrónico compartido. El resultado es
un desplazamiento de la carga negativa hacia el átomo
más electronegativo, quedando entonces el otro con un
ligero exceso de carga positiva. Por ejemplo, en la
molécula de HCl la mayor electronegatividad del cloro hace
que sobre éste aparezca una fracción de carga
negativa, mientras que sobre el hidrógeno aparece una positiva de igual
valor absoluto. Resulta así una molécula polar, con
un enlace intermedio entre el covalente y el iónico.

Esquema

¿Que es un átomo?

En química y
física, átomo (del
latín atomus, y éste
del griego
άτομος,
indivisible) es la unidad más pequeña de
un elemento químico que mantiene
su identidad o
sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos
químicos.

El concepto de
átomo como bloque básico e indivisible que compone
la materia del
universo ya fue postulado por la
escuela atomista en la Antigua
Grecia. Sin embargo, su existencia no quedó
demostrada hasta el siglo XIX. Con el
desarrollo de
la física nuclear en el
siglo XX se comprobó que el
átomo puede subdividirse en
partículas más
pequeñas.

El núcleo
atómico:

El núcleo del átomo se encuentra formado
por nucleones, los cuales pueden ser de dos clases:

Protones: Partícula de carga
eléctrica positiva igual a una carga
elemental, y 1,67262 Ã—
10-27 kg y una masa 1837 veces mayor que la del
electrón
Neutrones: Partículas carentes de
carga eléctrica y una masa un poco mayor que la del
protón (1,67493 Ã— 10-27
kg)

El núcleo más sencillo es el del
hidrógeno, formado únicamente
por un protón. El núcleo del siguiente elemento en
la tabla periódica, el
helio, se encuentra formado por dos protones y
dos neutrones.

La cantidad de protones contenidas en el núcleo
del átomo se conoce como número
atómico, el cual se representa por la letra Z
y se escribe en la parte inferior izquierda del
símbolo químico. Es el que
distingue a un elemento químico de otro. Según lo
descrito anteriormente, el número atómico del
hidrógeno es 1 (1H), y el del helio, 2
(2He).

La cantidad total de nucleones que contiene un
átomo se conoce como número
másico, representado por la letra A y escrito
en la parte superior izquierda del símbolo químico.
Para los ejemplos dados anteriormente, el número
másico del hidrógeno es 1(1H), y el del
helio, 4(4He).

Existen también átomos que tienen el mismo
número atómico, pero diferente número
másico, los cuales se conocen como
isótopos. Por ejemplo, existen tres
isótopos naturales del hidrógeno, el
protio (1H), el
deuterio (2H) y el
tritio (3H). Todos poseen las
mismas propiedades químicas del hidrógeno, y pueden
ser diferenciados únicamente por ciertas propiedades
físicas.

Otros términos menos utilizados relacionados con
la estructura
nuclear son los isótonos, que
son átomos con el mismo número de neutrones.
Los isóbaros son átomos
que tienen el mismo número másico.

Debido a que los protones tienen cargas positivas se
deberían repeler entre sí, sin embargo, el
núcleo del átomo mantiene su cohesión debido
a la existencia de otra fuerza de
mayor magnitud, aunque de menor alcance conocida como la
interacción nuclear fuerte.

¿Qué es una
fisión?

En química y
física, fisión es una
reacción nuclear, lo que significa que
tiene lugar en el núcleo
del átomo. La
fisión ocurre cuando un núcleo se divide en dos o
más núcleos pequeños, más algunos
subproductos. Estos subproductos incluyen
neutrones libres, fotones
(generalmente rayos gamma) y
otros fragmentos del núcleo como
partículas alfa (núcleos
de helio) y beta
(electrones y
positrones de alta energía).

La fisión de núcleos pesados es un
proceso exotérmico lo que supone
que se liberan cantidades sustanciales de
energía. El proceso genera mucha
más energía que la liberada en las
reacciones químicas; la energía
se emite, tanto en forma de radiación
gamma como de energía
cinética de los fragmentos de la
fusión, que calentarán a la
materia que se encuentre alrededor del espacio
donde se produzca la fisión.

La fisión se puede inducir por varios métodos,
incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo
fisionable con otra partícula de la energía
correcta; la otra partícula es generalmente un
neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por
el núcleo, haciéndole inestable (como una
pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser
inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad
correcta).

El núcleo inestable entonces se partirá en
dos o más pedazos: los productos de
la fisión que incluyen dos núcleos más
pequeños,

hasta siete neutrones libres (con una media de dos y
medio por reacción), y algunos fotones.

Los núcleos atómicos lanzados como
productos de la fisión pueden ser varios
elementos químicos. Los elementos que
se producen son resultado del azar, pero estadísticamente
el resultado más probable es encontrar núcleos con
la mitad de protones y
neutrones del átomo fisionado
original.

Los productos de la fisión son generalmente
altamente radiactivos: no son isótopos
estables; estos isótopos entonces decaen,
mediante cadenas de
desintegración.

Bomba
atómica:

La bomba atómica, obtiene la energía de la
fisión del núcleo de los átomos de elementos
radiactivos como el uranio y el plutonio. La cantidad de
energía que se puede obtener la explicó Einstein en
1905 con su famosa fórmula:

e = m.c2

Donde la energía es igual a la masa por la
velocidad de la luz elevada al
cuadrado. Dicho simplemente, una pequeña cantidad de
materia es
equivalente a una enorme cantidad de energía. Por
ejemplo 1 Kg. de materia convertida completamente en
energía sería equivalente a la explosión de
22 megatones de TNT.

El científico alemán Otto Hahn
descubrió en 1938, que un neutrón disparado contra
un átomo de uranio era capaz de dividir el átomo en
dos átomos más ligeros, liberando 2 o 3 neutrones y
gran cantidad de energía. Los neutrones liberados
podían a su vez colisionar con otros átomos de
uranio multiplicando el efecto. Es decir, se
producía una reacción en cadena.

Una cantidad de uranio del tamaño de una pelota
de baseball produciría una explosión equivalente a
20 mil toneladas de TNT.

Si tomamos una esfera de material fisionable puro, como
el uranio-235, del tamaño de una pelota de golf, a la cual
le disparamos un neutrón, no podrá sostenerse una
reacción en cadena. Muchos neutrones
escaparán por la superficie de la pelota y se
perderán, por tanto muchos átomos no serán
fisionados. Esa cantidad de uranio se llama masa
subcrítica.

Si la esfera es del tamaño de una pelota de
baseball, muchos más neutrones impactarán contra
otros átomos del material fisionable, que los que
escaparán por la superficie, produciendo una
reacción en cadena. Esa cantidad de uranio se llama
masa crítica.

Aumentando la cantidad de uranio se produce una masa
supercrítica en la cual la generación de sucesivas
fisiones aumenta rápidamente llegando a producir una
reacción en cadena que ocasionará una
explosión debido a la enorme y rápida cantidad de
energía liberada.

Pero no todos los materiales
radiactivos son adecuados. Por medios
artificiales se puede crear un isótopo, como por ejemplo
el uranio-235. Este isótopo es sumamente inestable o
radiactivo, es decir sus átomos se fisionan o se dividen
con facilidad al solo darle un suave golpecito, formando
elementos que son más estables. Cada vez que el
núcleo se divide libera neutrones y la energía que
no necesita para mantener el núcleo cohesionado.

Normalmente, el uranio-235 está caliente debido a
las fisiones espontáneas que ocurren en sus átomos,
liberando energía, pero que no son suficientes como para
desencadenar una reacción incontrolable, es decir una
explosión. Esa energía que escapa de los
núcleos del uranio-235 junto con los neutrones,
daña las células de
los seres vivos y por tanto es peligrosa y letal. Por eso
decimos que el uranio-235 al igual que cualquier material
radiactivo es sumamente peligroso y no se debe manipular sin
saber cómo hacerlo.

Para hacer una bomba atómica, es necesario
comprimir el uranio o plutonio de manera que su masa
crítica se convierta en supercrítica causando una
reacción en cadena incontrolada. Esa reacción
que ocurre en millonésimas de segundo produce una enorme
explosión por la cantidad de energía liberada
instantáneamente. La compresión necesaria
para convertir la masa crítica en supercrítica se
obtiene, por ejemplo, con la explosión de una carga TNT
que se coloca rodeando al uranio o plutonio. Al quedar
comprimido el material fisionable por la explosión del
TNT, los neutrones que se liberan no tienen adonde escapar y por
tanto chocan con todos los átomos produciendo la
reacción en cadena incontrolada.

En una fracción de segundo, todos los
núcleos de los átomos del material comprimido son
golpeados por los neutrones y se rompen. La energía
de trillones de núcleos es liberada
simultáneamente, produciendo una enorme explosión
atómica.

Conclusión

El enlace químico es una situación de
equilibrio,
donde las fuerzas de atracción entre los átomos son
contrarrestadas por fuerzas equivalentes y de sentido contrario
(fuerzas de repulsión). El punto de
equilibrio suele ser caracterizado por el radio
de enlace y la energía. La explicación
de las fuerzas involucradas en un enlace químico es
descrita por las leyes de
la electrodinámica
cuántica. Sin embargo al ser un problema de
muchos cuerpos se recurre con frecuencia a teorías
simplificadas. Estas teorías dan una idea más o
menos buena de la situación real. Entre las más
recurridas están:

Enlace de valencia: teoría
sencilla que se completa con la regla del
octeto. Según esta teoría, cada
átomo se rodea de 8 electrones, algunos compartidos en
forma de enlaces y otros propios en forma de pares solitarios.
No puede describir adecuadamente a los átomos con
orbitales d activos,
como los metales de
transición, pero la teoría es
muy sencilla y describe adecuadamente un gran número de
compuestos.
Mecánica cuántica: Esta
teoría es mucho más compleja que la anterior. Da
respuesta a muchos fenómenos que escapan al enlace de
valencia. En la mecánica
cuántica, los enlaces de valencia no tienen un papel
destacado (sólo se tienen en cuenta las posiciones
nucleares y las distribuciones electrónicas), pero los
químicos los representan para que las estructuras
les sean más familiares. Los orbitales
moleculares pueden clasificarse como
enlazantes y
antienlazantes.
Interacción
electrostática: Útil para cristales
de carácter marcadamente
ioníceso. Predice la unión
entre grupos de
átomos, de forma no-direccional.