Enlace químico
El enlace químico es un problema de energía. Electrones y núcleos se reorganizan hasta que las atracciones y repulsiones producen una estructura de menor energía. Los enlaces iónico, covalente y metálico son descripciones útiles y diferentes de esa distribución electrónica, no tres fuerzas sin relación entre sí.
Energía y modelos de enlace
El mínimo de energía define el enlace
A gran separación, dos átomos interactúan débilmente. Al acercarse, cada núcleo atrae electrones asociados al otro átomo y la energía total puede disminuir. Si los núcleos se acercan demasiado, las repulsiones núcleo–núcleo y electrón–electrón aumentan bruscamente.
La longitud de enlace de equilibrio es la distancia correspondiente al mínimo de la curva de energía potencial. La disociación del enlace requiere energía porque separar los átomos saca al sistema de ese mínimo.
La longitud de enlace y la energía de enlace están relacionadas, pero no son intercambiables: una es una distancia y la otra una diferencia de energía.
El enlace iónico forma una red electrostática extendida
En un cristal iónico, cationes y aniones atraen a muchos vecinos de carga opuesta. El NaCl sólido no está formado por moléculas Na–Cl aisladas; es una red extendida cuya estabilización electrostática total implica al cristal completo.
La magnitud de la energía reticular aumenta cuando crecen las cargas iónicas y disminuyen las distancias ion–ion. Esto ayuda a explicar por qué MgO está mucho más fuertemente ligado que NaCl, aunque también importan la estructura y los tamaños iónicos.
Cuando un sólido iónico se funde o se disuelve, los iones móviles pueden transportar corriente. El sólido suele conducir mal porque sus iones están fijos en la red.
Enlace covalente: solapamiento orbital y densidad compartida
En el lenguaje de la teoría de enlace de valencia, un enlace covalente se forma cuando los orbitales atómicos se solapan y dos electrones ocupan la región internuclear mientras son atraídos por ambos núcleos.
El solapamiento frontal produce un enlace σ. El solapamiento lateral de orbitales p paralelos produce un enlace π. Un enlace doble suele contener un enlace σ y uno π; un enlace triple contiene uno σ y dos π.
Para el mismo par de elementos, un orden de enlace mayor suele significar un enlace más corto y más fuerte porque una mayor densidad electrónica estabiliza la región entre los núcleos.
Enlace metálico y bandas
Los electrones de valencia metálicos no están confinados a un par de átomos. Sus estados se extienden por muchos átomos, de modo que los electrones pueden desplazarse por el sólido cuando se aplica un campo eléctrico.
La conocida imagen del «mar de electrones» es una primera aproximación útil. La teoría de bandas ofrece la versión cuántica: el enorme número de estados atómicos muy próximos de un sólido forma bandas de energías electrónicas permitidas.
El enlace deslocalizado también ayuda a explicar por qué los metales pueden deformarse sin que se rompa toda la red de enlaces, lo que da lugar a ductilidad y maleabilidad.
La polaridad del enlace hace continuos los caracteres iónico y covalente
Si un átomo es más electronegativo, la densidad electrónica compartida se desplaza hacia él y el enlace se vuelve polar. Una separación de carga muy grande produce un fuerte carácter iónico, pero no existe un umbral universal de Δχ en el que un enlace cambie instantáneamente de categoría.
Los cationes pequeños y muy cargados pueden polarizar fuertemente aniones grandes y aumentar el carácter covalente. AlCl₃, por ejemplo, es mucho más covalente de lo que sugeriría una regla simple metal/no metal.
El modelo de enlace adecuado es el que explica la propiedad estudiada: densidad electrónica, energía reticular, geometría molecular, conductividad o espectroscopia.
Descripciones cuánticas y deslocalización
Orbitales moleculares y orden de enlace
La teoría de orbitales moleculares combina orbitales atómicos en orbitales que se extienden por una molécula. Las combinaciones en fase producen orbitales enlazantes; las combinaciones fuera de fase producen orbitales antienlazantes, indicados con un asterisco.
orden de enlace = (electrones enlazantes − electrones antienlazantes)/2
Ocupar un orbital antienlazante cancela parte de la estabilización de los electrones enlazantes. La teoría de OM explica el paramagnetismo de O₂, que una estructura de Lewis sencilla no predice.
A veces los enlaces localizados son solo una parte de la descripción
Las estructuras de Lewis suelen dibujar pares electrónicos entre átomos concretos, pero algunas moléculas no pueden representarse con precisión mediante una única estructura localizada. En carbonato, nitrato o benceno, varias estructuras de Lewis difieren solo en la posición de los electrones π.
La distribución electrónica real está deslocalizada. Las estructuras de resonancia no son moléculas que se interconvierten rápidamente; son dibujos alternativos para representar un único estado cuántico cuya densidad electrónica se extiende por varios enlaces.
La deslocalización puede igualar longitudes de enlace y estabilizar una molécula o ion. Las descripciones con orbitales moleculares incorporan esto de forma natural al permitir que los orbitales se extiendan sobre varios átomos.
Del modelo de enlace a las propiedades
Modelo de enlace y propiedades de los materiales
Sólidos iónicos
A menudo tienen puntos de fusión altos y son frágiles; conducen cuando los iones pueden moverse.
Sustancias moleculares
Enlaces covalentes fuertes dentro de las moléculas; la fusión y ebullición del material suelen estar controladas por fuerzas intermoleculares.
Sólidos covalentes de red
Redes covalentes extendidas como el diamante o la sílice; suelen ser duras y tener puntos de fusión altos.
Metales
Los electrones deslocalizados favorecen la conducción eléctrica y térmica y, a menudo, la ductilidad.
Los enlaces de hidrógeno, las fuerzas dipolo–dipolo y las fuerzas de dispersión actúan entre moléculas. Son esenciales para las propiedades macroscópicas, pero no son los enlaces covalentes que mantienen unidos los átomos de una molécula.
Energías de enlace en las reacciones
Romper un enlace covalente requiere energía; formar un enlace libera energía. Por ello, las energías medias de enlace permiten estimar la entalpía de una reacción en fase gaseosa comparando la energía necesaria para romper los enlaces de los reactivos con la liberada al formarse los enlaces de los productos.
Son valores medios. Un enlace C–H no tiene exactamente la misma energía de disociación en todas las moléculas porque la estructura electrónica circundante modifica el enlace.
Los modelos de Lewis, enlace de valencia y orbitales moleculares responden a preguntas distintas
| Modelo | Especialmente útil para | Limitación importante |
|---|---|---|
| Estructuras de Lewis | Recuento de electrones, conectividad, carga formal y representación de resonancia | No ofrecen una descripción tridimensional ni energética completa |
| Modelo de enlace de valencia | Enlaces localizados, solapamiento orbital, lenguaje σ/π y muchas geometrías moleculares | Puede ocultar la deslocalización y algunos comportamientos magnéticos |
| Modelo de orbitales moleculares | Deslocalización, orden de enlace, espectros y magnetismo, como el paramagnetismo de O₂ | Más abstracto y normalmente requiere un marco orbital más amplio |
Estos modelos son complementarios. Una estructura de Lewis no es «incorrecta» porque la teoría de OM sea más profunda; es una herramienta más sencilla diseñada para responder a otro conjunto de preguntas. Un buen razonamiento químico cambia de modelo cuando cambia la pregunta.
Ejercicios
Orden de enlace
Una especie diatómica tiene 8 electrones en orbitales enlazantes y 4 en orbitales antienlazantes. Calcula su orden de enlace.
Solución
(8 − 4)/2 = 2.
Cristal de NaCl
¿Por qué es engañoso representar el NaCl sólido como un conjunto de moléculas Na–Cl separadas?
Solución
Cada ion interactúa con varios vecinos de carga opuesta en una red electrostática extendida; no existen unidades moleculares discretas de NaCl en el cristal.
Enlaces sencillo y triple
Entre los mismos dos elementos, ¿cuál suele ser más corto?
Solución
El enlace triple, porque un orden de enlace mayor produce una estabilización más fuerte entre los núcleos y, normalmente, una distancia de equilibrio más corta.