PARTE IV · Química: composición, estructura y transformación
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Enlaces, geometría y fuerzas entre partículas
Por qué los átomos forman sustancias y por qué no todo contacto entre partículas es el mismo tipo de unión
En este capítulo
La materia ordinaria no es una nube de átomos aislados. En una roca, una gota, una fibra o una célula, los átomos aparecen unidos o asociados en patrones persistentes. Esa persistencia exige explicación: ¿por qué algunos átomos se mantienen juntos, por qué otros se separan al disolverse, y por qué una sustancia puede ser dura, volátil, conductora o quebradiza?
La respuesta no es que los átomos «busquen» estabilidad. Los átomos no tienen metas. La explicación química combina estructura electrónica, energía, carga y geometría. Un enlace o una interacción aparece cuando cierta distribución de núcleos y electrones tiene menor energía, o resulta más estable bajo las condiciones dadas, que otras distribuciones accesibles. El lenguaje de octetos, cargas formales y pares electrónicos es una forma útil de representación; no debe confundirse con una intención de las partículas.
26.1. Energía y distribución electrónica#
Dos átomos separados tienen núcleos positivos y electrones negativos. Al acercarse, ocurren varias cosas a la vez: los electrones de un átomo pueden sentir la atracción del núcleo del otro; las nubes electrónicas se repelen entre sí; los núcleos también se repelen; y la distribución cuántica permitida para los electrones cambia. Si existe una distancia a la que la energía total baja respecto a los átomos separados, puede formarse una unión estable.
Esa distancia no es arbitraria. Si los átomos están demasiado lejos, apenas interactúan. Si están demasiado cerca, la repulsión crece. Entre ambos extremos puede aparecer una distancia de equilibrio. La energía necesaria para separar las partículas ayuda a estimar la fortaleza de la unión, aunque no todas las uniones se comparan con una sola cifra: el entorno, el estado físico y la estructura del material importan.
La química usa modelos diferentes porque la misma imagen no sirve para todo. En algunos sólidos conviene hablar de iones ordenados por atracción electrostática. En moléculas discretas, de pares de electrones compartidos. En metales, de núcleos positivos inmersos en electrones móviles. En líquidos moleculares, de interacciones entre moléculas que no rompen sus enlaces internos. Estos modelos son dominios de utilidad, no fotografías literales.
26.2. Enlace iónico: redes, no parejas sueltas#
Un enlace iónico aparece cuando la descripción más útil de una sustancia incluye iones de carga opuesta atraídos entre sí. El cloruro de sodio sólido se representa como NaCl, pero el cristal no está formado por moléculas aisladas de NaCl. Cada ion sodio está rodeado por varios iones cloruro y cada ion cloruro por varios iones sodio. La fórmula indica proporción mínima de cargas, no parejas independientes.
La formación de un sólido iónico depende de varios factores. Retirar un electrón de un átomo requiere energía; añadirlo a otro puede liberar o absorber energía según el caso; ordenar iones de cargas opuestas en una red libera energía electrostática. La sustancia se estabiliza cuando el balance completo resulta favorable bajo ciertas condiciones. Por eso no basta mirar una diferencia de electronegatividad y declarar automáticamente que «habrá enlace iónico».
Los sólidos iónicos suelen ser duros y quebradizos. Duros, porque desplazar iones en una red ordenada requiere vencer atracciones fuertes. Quebradizos, porque un desplazamiento suficiente puede enfrentar iones de igual carga, aumentando la repulsión y favoreciendo la fractura. Muchos no conducen electricidad como sólidos porque sus iones están fijos en la red; sí pueden conducir cuando están fundidos o disueltos si hay especies cargadas móviles.
26.3. Enlace covalente: compartir densidad electrónica#
En un enlace covalente, dos átomos comparten densidad electrónica. La palabra «compartir» no significa que cada electrón pertenezca medio tiempo a un átomo y medio tiempo a otro, como un objeto prestado. Significa que la distribución electrónica enlazada se extiende entre los núcleos de modo que la entidad conjunta resulta estable.
La molécula de hidrógeno,
La geometría puede anticiparse, en muchos casos sencillos, contando las regiones de densidad electrónica alrededor de un átomo central. Dos regiones tienden a una disposición lineal; tres, a una trigonal plana; cuatro, a una tetraédrica. Los pares de electrones no enlazantes también ocupan espacio y suelen comprimir los ángulos entre enlaces: por eso el agua es angular y el amoníaco piramidal, aunque ambos se entiendan a partir de cuatro regiones electrónicas. Este modelo de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia es una guía geométrica, no una explicación completa de la estructura cuántica; funciona peor cuando intervienen metales de transición, deslocalización extensa o entornos sólidos complejos.
Los enlaces covalentes pueden ser no polares o polares. Si los átomos enlazados atraen de manera semejante la densidad electrónica, la distribución es relativamente simétrica. Si uno atrae más que el otro, aparece una polaridad: un extremo queda parcialmente negativo y el otro parcialmente positivo. Esta polaridad no equivale a iones completos; es una separación parcial de carga dentro de una entidad enlazada.
La regla del octeto es una herramienta, no una ley universal. Funciona bien como primera guía para muchos compuestos de elementos representativos, pero falla o requiere matices en especies con electrones impares, octetos incompletos, elementos del tercer periodo y posteriores, metales de transición y estructuras deslocalizadas. La química real se decide por energía y estructura electrónica, no por completar una casilla mnemotécnica.
26.4. Enlace metálico: electrones móviles y propiedades colectivas#
Un metal no se comprende bien como una colección de moléculas. En muchos metales, los átomos forman una red de núcleos positivos y electrones de valencia deslocalizados que pueden moverse por el sólido. Este modelo explica varias propiedades macroscópicas: conducción eléctrica, conducción térmica, brillo y deformación plástica.
La conducción eléctrica requiere cargas móviles. En un metal, los electrones deslocalizados responden a un campo eléctrico y transportan carga. La maleabilidad se entiende porque las capas de la red pueden deslizarse sin destruir de inmediato todas las atracciones: la unión metálica no depende de pares localizados rígidos entre dos átomos concretos. Esta explicación es cualitativa; los detalles de bandas electrónicas pertenecen a un nivel más avanzado de física del estado sólido.
Las aleaciones muestran que el enlace metálico no es una receta única. Sustituir algunos átomos por otros o introducir átomos pequeños en huecos de la red cambia tamaño de grano, movilidad de dislocaciones, resistencia, dureza y corrosión. Por eso el capítulo 32 retomará materiales metálicos desde la intervención y el análisis, no desde la tabla periódica sola.
Los modelos de enlace destacan mecanismos distintos: cargas opuestas ordenadas, densidad compartida, electrones deslocalizados o atracciones entre entidades moleculares. La comparación es conceptual y no ordena todas las uniones por una sola fuerza universal.
26.5. Interacciones entre moléculas y partículas#
No toda atracción entre partículas es un enlace químico en el mismo sentido. Las moléculas de agua tienen enlaces covalentes O–H dentro de cada molécula, pero entre moléculas aparecen interacciones adicionales. Esas interacciones no cambian la fórmula de cada molécula, pero sí influyen en punto de ebullición, viscosidad, tensión superficial, solubilidad y estructura de fases.
Las fuerzas de dispersión aparecen por fluctuaciones temporales de la distribución electrónica. Están presentes en todas las partículas, incluso en moléculas no polares. Aumentan con la polarizabilidad y con el área de contacto. Por eso moléculas más grandes o más extendidas pueden tener puntos de ebullición mayores que moléculas pequeñas de forma semejante.
Las interacciones dipolo-dipolo aparecen entre moléculas polares: extremos con carga parcial opuesta se atraen. El enlace de hidrógeno es un caso especialmente importante de interacción direccional que suele involucrar hidrógeno unido a átomos muy electronegativos y pequeños, como oxígeno, nitrógeno o flúor, junto con un sitio rico en electrones. No es un enlace covalente ordinario, pero puede ser lo bastante fuerte y direccional para organizar líquidos, sólidos moleculares y macromoléculas. La IUPAC trata la terminología de enlaces e interacciones en sus compendios y libros de color, que son recursos normativos de nomenclatura y símbolos. (IUPAC Color Books)
Las interacciones ion-dipolo explican por qué muchas sales se disuelven en agua. Las moléculas de agua son polares: su extremo rico en oxígeno interactúa con cationes y sus hidrógenos parcialmente positivos interactúan con aniones. Disolver no es «hacer desaparecer» una sustancia; es reemplazar parte de las interacciones de la red y del solvente por nuevas interacciones entre soluto y solvente.
26.6. Estructura y propiedad: de la unión al comportamiento observable#
Una misma fórmula molecular no siempre determina una sola propiedad. La conectividad, la geometría y la distribución espacial importan. Dos compuestos con la misma fórmula pueden ser isómeros: tienen los mismos tipos y números de átomos, pero conectados o dispuestos de manera distinta. Esa diferencia puede cambiar punto de ebullición, olor, reactividad o interacción con otras moléculas.
El agua y el dióxido de carbono muestran el papel de la geometría. En el agua, los enlaces O–H son polares y la molécula es angular, de modo que los dipolos no se cancelan. En el dióxido de carbono, los enlaces C=O son polares, pero la molécula lineal cancela los dipolos de enlace y el resultado molecular es no polar. La polaridad molecular depende de enlaces y forma; no puede inferirse sólo de la presencia de átomos electronegativos.
La solubilidad también requiere estructura. Una frase común dice que «lo semejante disuelve a lo semejante». Como regla inicial, funciona: sustancias polares suelen mezclarse mejor con solventes polares; sustancias no polares, con solventes no polares. Pero la versión rigurosa pregunta qué interacciones se rompen y cuáles se forman. Si el nuevo conjunto de interacciones y el cambio de desorden favorecen la mezcla, la disolución será posible en cierta extensión. Si no, aparecerán fases separadas o solubilidad limitada.
La química de los enlaces no termina en clasificar. Sirve para explicar por qué una sustancia se funde a cierta temperatura, por qué un cristal se rompe, por qué un polímero se ablanda, por qué un líquido moja una superficie y por qué una molécula reacciona por un sitio antes que por otro. El capítulo siguiente usará esas ideas para conectar partículas con estados de la materia y propiedades macroscópicas.
Preguntas de transferencia#
Sal sólida y sal disuelta#
Ejemplo construido. Un cristal iónico no conduce electricidad como sólido, pero su disolución acuosa sí. ¿Qué cambió y qué no cambió?
Mostrar respuesta razonada
No cambió necesariamente la identidad elemental de los iones. Cambió su movilidad. En el sólido, los iones están fijados en una red; en la disolución, quedan hidratados y pueden moverse, transportando carga. La conducción requiere especies cargadas móviles, no sólo cargas presentes.
Molécula polar o enlace polar#
Ejemplo construido. Una molécula tiene enlaces polares, pero se comporta como molécula no polar. ¿Es contradictorio?
Mostrar respuesta razonada
No. La polaridad molecular es vectorial: depende de la suma geométrica de las polaridades de enlace. Si la molécula es simétrica, los dipolos pueden cancelarse. Se necesita conocer la geometría, no sólo la diferencia de electronegatividad de cada enlace.
Regla del octeto#
Ejemplo construido. Alguien descarta una especie química porque «no cumple octeto». ¿Por qué esa objeción puede ser insuficiente?
Mostrar respuesta razonada
El octeto es una guía útil para muchos elementos representativos, pero no una prueba universal de imposibilidad. Hay especies con octetos incompletos, electrones impares, deslocalización o elementos para los que el modelo simple no basta. La estabilidad debe evaluarse con estructura electrónica y evidencia.
Interacción o enlace interno#
Ejemplo construido. Al hervir agua, se rompen interacciones entre moléculas, no los enlaces O–H de cada molécula en condiciones ordinarias. ¿Qué observación cotidiana apoya esta distinción?
Mostrar respuesta razonada
El vapor producido sigue siendo agua: sus moléculas conservan composición
Fuentes y lecturas del capítulo#
IUPAC. Color Books. Portal de recursos normativos sobre nomenclatura, terminología y símbolos químicos, incluido el Gold Book y libros de química orgánica, inorgánica y analítica. (IUPAC Color Books)
IUPAC. Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005. Recurso de referencia para especies y nomenclatura inorgánica; útil para distinguir fórmulas, especies y redes. (Red Book)
NIST. Chemistry WebBook. Proporciona datos de sustancias que permiten relacionar estructura con propiedades medibles como entalpías, espectros y constantes físicas. (NIST Chemistry WebBook)
OpenStax. Chemistry 2e. Presenta modelos introductorios de enlace iónico, covalente, metálico e interacciones intermoleculares. (OpenStax Chemistry 2e)
IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, Gold Book. Diccionario normativo para términos de enlace, especie química, ion, molécula y conceptos asociados. (Gold Book)