El enlace quimico,Longitud de enlace y energia de enlace

Enlace químico

Un enlace químico es el proceso físico responsable de las interacciones atractivas entre átomos y moléculas, y que confiere estabilidad a los compuestos químicos diatómicos y poliatómicos. La explicación de tales fuerzas atractivas es un área compleja que está descrita por las leyes de la electrodinámica cuántica. Sin embargo, en la práctica, los químicos suelen apoyarse en la mecánica cuántica o en descripciones cualitativas que son menos rigurosas, pero más sencillas en su propia descripcion del enlace químico. En general, el enlace químico fuerte está asociado con la compartición o transferencia de electrones entre los átomos participantes. Las moléculascristales, y gases diatómicos -o sea la mayor parte del ambiente físico que nos rodea- está unido por enlaces químicos, que determinan la estructura de la materia.

Los enlaces varían ampliamente en su fuerza. Generalmente, el enlace covalente y el enlace iónico suelen ser descritos como “fuertes”, mientras que el enlace de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals son consideradas como “débiles”.

Ejemplo de enlaces químicos entre carbono ChidrógenoH, y oxígeno O, representados según la estructura de Lewis. Los diagramas de punto representaron un intento temprano de describir los enlaces químicos, y aún son ampliamente usados hoy en día.

Teniendo en cuenta que las cargas opuestas se atraen,porque, al estar unidos, adquieren una situación más estable que cuando estaban separados. Esta situación de mayor estabilidad suele darse cuando el número de electrones que poseen los átomos en su último nivel es igual a ocho, estructura que coincide con la de los gases nobles.ya que los electrones que orbitan el núcleo están cargados negativamente, y que los protones en el núcleo lo están positivamente, la configuración más estable del núcleo y los electrones es una en la que los electrones pasan la mayor parte del tiempo entre los núcleos, que en otro lugar del espacio. Estos electrones hacen que los núcleos se atraigan mutuamente.

En la visión simplificada del denominado enlace covalente, uno o más electrones (frecuentemente un par de electrones) son llevados al espacio entre los dos núcleos atómicos. Ahí, los electrones negativamente cargados son atraídos a las cargas positivas de ambos núcleos, en vez de sólo su propio núcleo. Esto vence a la repulsión entre los dos núcleos positivamente cargados de los dos átomos, y esta atracción tan grande mantiene a los dos núcleos en una configuración de equilibrio relativamente fija, aunque aún vibrarán en la posición de equilibrio. En resumen, el enlace covalente involucra la compartición de electrones en los que los núcleos positivamente cargados de dos o más átomos atraen simultáneamente a los electrones negativamente cargados que están siendo compartidos. En un enlace covalente polar, uno o más electrones son compartidos inequitativamente entre dos núcleos.

En una visión simplificada de un enlace iónico, el electrón de enlace no es compartido, sino que es transferido. En este tipo de enlace, elorbital atómico más externo de un átomo tiene un lugar libre que permite la adición de uno o más electrones. Estos electrones recientemente agregados ocupan potencialmente un estado de menor energía (más cerca al núcleo debido a la alta carga nuclear efectiva) de lo que experimentan en un tipo diferente de átomo. En consecuencia, un núcleo ofrece una posición de más fuerte unión a un electrón de lo que lo hace el otro núcleo. Esta transferencia ocasiona que un átomo asuma una carga neta positiva, y que el otro asuma una carga neta negativa. Entonces, el enlace resulta de la atracción electrostática entre los átomos, y los átomos se constituyen en ((iones)) de carga positiva o negativa.

Todos los enlaces pueden ser explicados por la teoría cuántica, pero, en la práctica, algunas reglas de simplificación les permiten a los químicos predecir la fuerza de enlace, direccionalidad y [polaridad (química)] de los enlaces. La regla del octeto y la (TREPEV)teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia]] son dos ejemplos. Las teorías más sofisticadas, como lateoría del enlace de valencia, que incluye la hibridación de orbitales y la resonancia, y el método de combinación lineal de orbitales atómicos dentro de la teoría de los orbitales moleculares, que incluye a la teoría del campo de los ligantes. La electrostática es usada para describir polaridades de enlace y los efectos que ejerce en las sustancias químicas.

Las primeras especulaciones respecto a la naturaleza del enlace químico son tan tempranas como en el siglo XII, se suponía que ciertos tipos de especies químicas estaban unidas entre sí por un tipo de afinidad química. En 1704, Isaac Newton esbozó su teoría de enlace atómico, en “Query 31″ de su Opticks, donde los átomos se unen unos a otros por alguna “fuerza“. Específicamente, después de investigar varias teorías populares, en boga en aquel tiempo, de cómo los átomos se podía unir unos a otros, por ejemplo, “átomos enganchados”, “átomos pegados unos a otros por reposo”, o “unidos por movimientos conspirantes”, Newton señaló lo que inferiría posteriormente a partir de su cohesión que:

Las partículas se atraen unas a otras por alguna fuerza, que en contacto inmediato es excesivamente grande, a distancias pequeñas desempeñan operaciones químicas y su efecto deja de sentirse no lejos de las partículas.

En 1819, a raíz de la invención de la pila voltaicaJöns Jakob Berzelius desarrolló una teoría de combinación química, introduciendo indirectamente el carácter electropositivo y electronegativo de los átomos combinantes. A mediados del siglos XIX, Edward Frankland, F.A. Kekule, A.S. Couper, A.M. Butlerov y Hermann Kolbe, ampliando la teoría de radicales, desarrollaron la teoría de valencia, originalmente llamado “poder combinante” en que los compuestos se mantenía unidos debido a la atracción entre polos positivo y negativo. En 1916, el químico Gilbert N. Lewis desarrolló el concepto de enlace de par de electrones, en el que dos átomos pueden compartir uno y seis electrones, formando el enlace de un solo electrónenlace simpleenlace doble, o enlace triple:

En las propias palabras de Lewis:

Un electrón puede formar parte de las envolturas de dos átomos diferentes y no puede decirse que pertenezca a uno simplemente o exclusivamente.

El mismo año, Walther Kossel lanzó una teoría similar a la de Lewis, con la diferencia de que su modelo asumía una transferencia completa de electrones entre los átomos, con lo que era un modelo de enlace iónico. Tanto Lewis y Kossel estructuraron sus modelos de enlace a partir de la regla de Abegg (1904).

En 1927, el físico danés Oyvind Burrau derivó la primera descripción cuántica matemáticamente completa de un enlace químico simple, el producido por un electrón en el ion de hidrógeno molecular (dihidrogenilio), H2+.1 Este trabajo mostró que la aproximación cuántica a los enlaces químicos podrían ser correctas fundamental y cualitativamente, pero los métodos matemáticos usados no podrían extenderse a moléculas que contuvieran más de un electrón. Una aproximación más práctica, aunque menos cuantitativa, fue publicada en el mismo año por Walter Heitler y Fritz London. El método de Heitler-London forma la base de lo que ahora se denomina teoría del enlace de valencia. En 1929, Sir John Lennard-Jones introdujo el método de combinación lineal de orbitales atómicos (CLOA o dentro de la teoría de orbitales moleculares, sugiriendo también métodos para derivar las estructuras electrónicas de moléculas de F2 (flúor) y las moléculas de O2 (oxígeno), a partir de principios cuánticos básicos. Esta teoría de orbital molecular representó un enlace covalente como un orbital formado por combinación de los orbitales atómicos de la mecánica cuántica de Schrödinger que habían sido hipotetizados por los electrones en átomos solitarios. Las ecuaciones para los electrones de enlace en átomos multielectrónicos no podrían ser resueltos con perfección matemática (esto es, analíticamente), pero las aproximaciones para ellos aún producen muchas predicciones y resultados cualitativos buenos. Muchos cálculos cuantitativos en química cuántica moderna usan tanto las teorías de orbitales moleculares o de enlace de valencia como punto de partida, aunque una tercera aproximación, la teoría del funcional de la densidad, se ha estado haciendo más popular en años recientes.

En 1935, H.H. James y A.S. Coolidge llevó a cabo un cálculo sobre la molécula de dihidrógeno que, a diferencia de todos los cálculos previos que usaban funciones sólo de la distancia de los electrones a partir del núcleo atómico, usó funciones que sólo adicionaban explícitamente la distancia entre los dos electrones.2 Con 13 parámetros ajustables, ellos obtienen el resultado muy cercano al resultado experimental para la energía de disociación de enlace. Posteriores extensiones usaron hasta 54 parámetros y producen gran concordancia con los experimentos. Este cálculo convenció a la comunidad científica que la teoría cuántica podría concordar con los experimentos. Sin embargo, esta aproximación no tiene relación física con la teoría de enlace de valencia y orbitales moleculares y es difícil de extender a moléculas más grandes.

Longitud de enlace

En geometría molecular, la longitud de enlace o distancia de enlace es la distancia media en el tiempo entre los núcleos de dos átomos unidos mediante un enlace químico en una molécula.

Explicación

La longitud de enlace se relaciona inversamente con el orden de enlace, y crece con los radios de los átomos que se enlazan. Cuanto mayor es el orden de enlace entre dos átomos determinados, menores serán las longitudes de enlaces que ellos forman.

C-C (simple) C=C (doble) C≡C (triple)
Orden de enlace 1 2 3
Distancia de enlace (pm) 154 134 130

En cuanto al otro factor, la longitud del enlace es aproximadamente igual a la suma de los radios covalentes de los átomos participantes en ese enlace. Si los átomos que se unen tienen radios grandes,la distancia de enlace también lo será. La longitud de enlace también se relaciona inversamente con la fuerza de enlace y con la energía de disociación de enlace, dado que un enlace más fuerte también es un enlace más corto. En un enlace entre dos átomos idénticos, la mitad de la distancia de enlace es igual al radio covalente. Las longitudes de enlace se miden en las moléculas por medio de la difracción de rayos X. El enlace entre dos átomos es distinto de una molécula a otra. Por ejemplo, el enlace carbono-hidrógeno en el metano es diferente a aquél en el cloruro de metilo. Sin embargo, es posible hacer generalizaciones cuando la estructura general es la misma.

[editar]Longitudes de enlace del carbono con otros elementos

A continuación se muestra una tabla con longitudes de enlace simple entre carbono y otro elemento.[1] Las longitudes de enlace están dadas en picómetros. Por aproximación, las distancias de enlace entre dos átomos diferentes es la suma de los radios covalentes individuales.

H 106 – 112
Be 193
Mg 207
B 156
Al 224
In 216
C 154 – 120
Si 186
Sn 214
Pb 229
N 147 – 210
P 187
As 198
Sb 220
Bi 230
O 143 – 215
S 181 – 255
Cr 192
Se 198 – 271
Te 205
Mo 208
W 206
F 134
Cl 176
Br 193
I 213
Tabla 1. Distancias de enlace de carbono a otros elementos en picómetros1

[editar]Longitudes de enlace en compuestos orgánicos

La longitud de enlace real entre dos átomos en una molécula depende de factores tales como la hibridación de orbitales y la naturaleza electrónica y estérica de los sustituyentes. La longitud deenlace carbono-carbono en el diamante es de 154 pm, que es la mayor longitud de enlace que existe para los enlaces covalentes ordinarios de carbono.

Excepcionalmente pueden existir longitudes de enlace mayores. En uno, el triciclobutabenceno, se registró una longitud de enlace de 160 pm. El récord actual lo tiene otro ciclobutabenceno, con 174 pm, basado en difracción de rayos X.2 En este tipo de compuestos, el anillo de ciclobutano forzaría ángulos de enlace de 90° en los átomos de carbono conectados al anillo bencénico donde ellos tienen ángulos de enlace ordinarios de 90°.

La existencia de longitudes de enlace C-C muy largas de hasta 290 pm se propone para el dímero de dos dianiones tetracianoetileno, aunque esto corresponde a un enlace de 2-electrones-4-centros.34 Este tipo de enlace también ha sido observado en dímeros del fenaleno neutro. Las longitudes de enlace de estos enlaces pancake5 llegan hasta los 305 pm.

También es posible tener distancias de enlace carbono-carbono más cortas que el promedio, los alquenos y alquinos tienen longitudes de enlace de 133 y 120 pm, respectiamente, debido a un mayorcarácter s del enlace sigma. En el benceno, todos los enlaces tienen la misma longitud: 139 pm. En enlaces simples carbono-carbono, hay un notable incremento en el carácter s en el enlace central del diacetileno (137 pm) y el de cierto dímero de tetraedrano (144 pm).

En el propionitrilo, el grupo ciano jala densidad electrónica, resultando en una longitud de enlace reducida (144 pm). La reducción de un enlace CC también es posible por aplicación de impedimento estérico. El compuesto orgánico In-metilciclofano muestra una distancia de enlace muy corta de 147 pm para el group metilo aplastado entre un grupo tripticeno y un grupo fenilo. En un experimento in silico, se estimó la distancia de enlace para el neopentano atrapado en fulereno de 136 pm.6 La menor distancia de enlace obtenida para un enlace simple carbono-carbono en este estudio es de 132 pm para una una molécula hipotética similar al adamantano.

Longitudes de enlace en compuestos orgánicos comunes7
C-H longitud (pm) C-C longitud (pm) Enlaces múltiples longitud (pm)
sp3-H 110 sp3-sp3 154 Benceno 140
sp2-H 109 sp3-sp2 150 Alqueno 134
sp-H 108 sp2-sp2 135 Alquino 120
sp3-sp 146 Aleno 130
sp2-sp 143
sp-sp 120

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