Enlace Químico

Unión entre dos o más átomos para formar una entidad más estable. Los tipos de enlace más importantes son:

Enlace Iónico

Es la unión de dos o más iones de distintos materiales. La fuerza atractiva entre los iones es coulombiana. El enlace iónico es no direccional y relativamente fuerte.

Enlace Covalente

Se debe a fuerzas interatómicas relativamente fuertes creadas al compartir electrones para formar un enlace en una dirección determinada.

Enlace Metálico

Se debe a fuerzas interatómicas relativamente fuertes creadas al compartir electrones de forma deslocalizada para formar un enlace fuerte no direccional.

Formación del Enlace Iónico

Los enlaces iónicos generalmente se forman entre elementos muy electropositivos y muy electronegativos. El proceso consiste en la cesión de uno o dos electrones de la última capa (de sus orbitales «s») por el elemento electropositivo al electronegativo (que le ayudan a completar los orbitales «p» de su última capa), formándose los iones correspondientes. Quedando ambos con la estructura de gas noble.

Desde el punto de vista energético, la posición relativa de los iones dará lugar a una distribución de energía potencial, que variará con la distancia. La posición de equilibrio será la del mínimo de energía potencial.

El valor absoluto del mínimo de energía supone la energía que tenemos que comunicar a un ión para que ambos dejen de interactuar (energía de ionización de la molécula).

Propiedades del Enlace Iónico

1. No se forman moléculas aisladas, sino redes cristalinas, muy fuertes y estables. Para separar los iones de la red se requiere bastante energía. Por esto presentan las propiedades:
   • Sólidos no conductores.
   • De elevado punto de fusión.
   • Duros y quebradizos como consecuencia de la estructura de la red.
2. Los iones pueden ser separados de la red fundiendo el compuesto o disolviéndolo en sustancias polares como el agua. Estos compuestos en disolución acuosa conducen la corriente eléctrica.

Enlace Covalente

Se presenta con frecuencia entre átomos de similar electronegatividad, que se encuentran próximos en la tabla periódica. Casi siempre los átomos que forman moléculas covalentes comparten sus electrones externos «s» y «p» entre sí, de modo que cada átomo «alcanza» la configuración electrónica del gas noble.

En el enlace covalente pueden formarse múltiples pares de electrones de un átomo consigo mismo o con otros átomos, dando lugar a la existencia de:

• Enlace simple (hidrógeno)
• Enlace doble (oxígeno)
• Enlace triple (nitrógeno)

Covalencia es el número de electrones que un átomo comparte. Generalmente coincide con el número de electrones que tiene desapareados.

Las energías de los dos átomos asociados con enlace covalente disminuyen, la molécula es más estable. Por energía de enlace de una molécula entendemos la necesaria para romper un mol de enlaces de la molécula, o la que se desprende al formarse el mismo número de enlaces. Se expresa en kJ/mol.

La distancia a₀ entre los núcleos de los dos átomos que forman el enlace se le denomina longitud de enlace. Se expresa en picómetros.

Propiedades del Enlace Covalente

• Temperaturas de fusión bajas. A temperatura ambiente son gases, líquidos volátiles (temperatura de ebullición baja) o sólidos de bajo punto de fusión.
• No conducen la electricidad en ningún estado físico. Sus electrones de enlace están fuertemente localizados.
• Son muy malos conductores del calor.
• La mayoría son poco solubles en agua. Si se disuelven no forman iones dado que el enlace covalente no los forma, por tanto, tampoco conducen la electricidad.

Redes Covalentes

• No conducen el calor ni la electricidad.
• Son insolubles en agua.
• A diferencia de las sustancias moleculares:
  • Presentan temperaturas de fusión y ebullición muy elevadas. Son sólidos a temperatura ambiente.
  • Son muy duros (resistencia a ser rayado).

Dipolo

Un enlace polar se forma cuando los electrones son desigualmente compartidos entre dos átomos. Los enlaces polares covalentes ocurren porque un átomo tiene una mayor afinidad hacia los electrones que el otro (sin embargo, no tanta como para empujar completamente los electrones y formar un ión).

El dipolo eléctrico son dos cargas puntuales separadas por una distancia muy pequeña. Se caracteriza por el vector momento dipolar p cuyo módulo es el producto «carga × distancia». El vector momento dipolar tiene por dirección la de la recta que une las cargas y su sentido es desde la carga negativa hacia la positiva.

Enlace Metálico

Los metales son elementos de baja electronegatividad y tienen pocos electrones en su última capa, que ceden fácilmente (electrones de valencia) a una «nube electrónica» que comprende todos los átomos del metal y los mantiene juntos.

En el enlace metálico, los electrones no pertenecen a ningún átomo determinado. Además, es un enlace no dirigido, porque la nube electrónica es común a todos los restos atómicos que forman la red.

Cuando los átomos metálicos se unen y comparten los electrones de valencia para formar un cuerpo cristalino, la energía total de los átomos por separado se ve reducida en el proceso de enlace.

Propiedades del Enlace Metálico

• Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio, y sus puntos de fusión y ebullición varían notablemente.
• Las conductividades térmicas y eléctricas son muy elevadas. (Esto se explica por la enorme movilidad de sus electrones de valencia)
• Presentan brillo metálico.
• Son dúctiles y maleables. (La enorme movilidad de los electrones de valencia hace que los cationes metálicos puedan moverse sin producir una situación distinta, es decir, una rotura)
• Pueden emitir electrones cuando reciben energía.

Sólidos Cristalinos

Los cristales se pueden describir representando a los átomos en los puntos de intersección de una red tridimensional, la red espacial. Cada punto de la red tiene un entorno idéntico, de forma que se puede hablar de una celda unitaria cuya repetición permite reproducir el cristal.

El tamaño y forma de la celda se describe por los tres vectores de la red (a, b y c) con origen en un vértice de la celda unitaria y tres ángulos (α, β, γ) (las constantes de la red).

Se emplean siete tipos de celdas unitarias para crear todas las redes de los siete sistemas cristalográficos: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, rómbico, hexagonal, monoclínico y triclínico. J. Bravais demostró que con 14 celdas unitarias se pueden describir todas las redes posibles. Existen cuatro tipos básicos de celdas unitarias: sencilla, centrada en cuerpo, centrada en cara y entrada en base.

Si un material se presenta en más de una forma cristalina, en distintas condiciones de temperatura y presión, hablamos de polimorfismo o alotropía. Muchos metales (Fe, Ti, Co, por ejemplo) sufren transformaciones alotrópicas a temperaturas elevadas y presión atmosférica.

Para identificar los planos reticulares de una red cúbica se utiliza la notación de Miller. Los índices de Miller de un plano cristalino se definen como la inversa de las fracciones de intersección que el plano presenta con los ejes cristalográficos de las tres aristas no paralelas de la celda unitaria cúbica. A la longitud de la arista se le asigna el valor unidad y, con esta base, se miden los cortes con los ejes determinados por el plano en cuestión.

Cristales Líquidos

Existen sustancias reales, los cristales líquidos, que exhiben la dualidad sólido-líquido. Poseen propiedades de los líquidos (fluidez y viscosidad) y propiedades ópticas similares a las de los cristales.

F. Reinitzer (1888) observó en compuestos orgánicos derivados del colesterol, que parecían tener dos puntos de fusión. La asimetría molecular provoca que los átomos dentro de la molécula se sitúen preferentemente a lo largo del eje de la molécula o bien en el plano definido por la molécula misma, dando lugar a una estructura molecular complicada, lo que conlleva la aparición de dipolos moleculares.

Tipos de Cristales Líquidos

• Nemáticos: las moléculas se orientan de forma ordenada, pero no sus centros de masa. Las moléculas pueden moverse lateralmente, girar alrededor de un eje común o deslizarse paralelamente a él. Son la clase más desordenada.
• Esmécticos: constituyen el tipo más ordenado. Tienden a organizarse en capas planas paralelas entre sí, como las hojas de un libro, con sus ejes moleculares perpendiculares a estos planos y paralelos entre sí. Los centros de masa pueden estar o no ordenados.
• Colestérica: como en los esmécticos, las moléculas de colestérico también pueden estructurarse en capas superpuestas, pero los ejes moleculares se orientan en una dirección en cada plano. Esta dirección cambia ligeramente de capa a capa debido a la peculiar estructura molecular de los colestéricos y, en consecuencia, el eje de orientación, al pasar de un plano a otro, describe una trayectoria en forma de hélice.

Materiales Amorfos

Son aquellos en los que las partículas que lo conforman carecen de una estructura ordenada. Las moléculas de los sólidos amorfos están distribuidas al azar y las propiedades físicas del sólido son idénticas en todas las direcciones.

Polímeros

Son moléculas formadas por la unión covalente de muchas unidades moleculares no saturadas denominadas monómeros, que dan lugar a largas cadenas.

• Polímeros naturales: provienen del reino vegetal o animal (seda, lana, algodón, celulosa, almidón, proteínas, caucho natural o ácidos nucleicos).
• Polímeros semisintéticos: se obtienen por transformación de los naturales (nitrocelulosa o caucho vulcanizado).
• Polímeros sintéticos: son transformados por el hombre. Todos los plásticos (nylon, poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC) y el polietileno).

La gran variedad de propiedades físicas y químicas permite aplicarlos en diversas industrias.

Materiales Cerámicos

Son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos enlazados químicamente entre sí. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos o no, e incluso mezclas de ambos.

Son duros y frágiles. Tenacidad baja (poca resistencia a la flexión). Poco dúctiles. Buenos aislantes eléctricos y térmicos (dada la ausencia de electrones de conducción). En general tienen temperaturas de fusión altas y gran estabilidad química y térmica, así como elevada resistencia a la compresión.

Arcillas

Se utilizan en la fabricación de ladrillos para la construcción y ladrillos refractarios. Están formadas por alúmina y sílice en diversas proporciones, con impurezas: óxido férrico (el cual le da color rojo), óxido de manganeso, potasa, magnesio y cal.

El caolín (arcilla blanca formada principalmente por alúmina y sílice) se utiliza para fabricar utensilios de porcelana fina y ladrillos refractarios.

Difracción

La difracción se produce cuando un rayo incide sobre una ranura de dimensiones comparables a su longitud de onda. La ranura, de anchura b, se puede entender como un conjunto de fuentes síncronas emisoras de ondas. Las nuevas ondas producidas interferirán entre sí, existiendo en el espacio direcciones en las que la interferencia sea constructiva y en otras destructiva, produciéndose zonas oscuras e iluminadas (figura de difracción).

Si existen dos ranuras, separadas una distancia a, cada una de ellas dará lugar a una figura de difracción, que a su vez interferirán entre sí dando lugar a una nueva figura de difracción, cuya intensidad es la de la interferencia de dos fuentes modulada por la figura de difracción.