1. Introducción
Existen varias palabras que son claves en química y que todos hemos escuchado, digamos que las mas comunes y fundamentales sonelemento, molécula y compuesto.Los elementos químicos principales son un grupo de alrededor de 90 formas naturales y espontáneas diferentes de manifestarse la materia que fueron identificadas y nombradas por los químicos a lo largo de la historia (además hay unas 23 formas adicionales que no aparecen en la naturaleza y fueron sintetizadas por los hombres). Se les denominó elementos ya que no podía cambiarse su naturaleza de ninguna forma por medios químicos, eran algo como los "ingredientes" básicos que se mezclaban para producir todo lo que nos rodea. Solo unos pocos de estos 90 elementos se podían encontrar en la naturaleza en forma libre (sin estar "mezclados" con ningún otro), la gran mayoría resultaron de "extraerlos" de sustancias en las que estaban acompañados de uno o mas de los otros elementos. El desarrollo posterior de la ciencia (especialmente de la química) indujo a pensar a los científicos que estos elementos estaban formados por la agrupación de minúsculas partículas indestructibles e indivisibles que se les llamó átomos, y se demostró además que los átomos de los diferentes elementos eran a su vez diferentes y que estaban formados por dos partes básicas: un núcleo central con carga eléctrica positiva debido a los protones; y una "nube" que rodeaba el núcleo con partículas cargadas negativamente o electrones
El hecho de que una buena parte de los elementos "aparecieran" producto de la división de sustancias naturales que los contenían, con propiedades físicas y químicas muy diferentes a los elementos constitutivos independientes, también indujo a pensar que existía una cantidad mínima de esa sustancia formada por el menor número de átomos posibles, una "unidad" de sustancia que llamaron molécula. La demostración de que el proceso destrucción/formación de las sustancias era reversible no dejaba lugar a dudas, los átomos de los elementos se pueden juntar para formar la molécula y luego esta molécula se puede separar en los átomos independientes.
DESARROLLO
Algo saltaba a la vista, cuando se unen átomos de elementos para formar una molécula no se estaba haciendo una mezcla común, por ejemplo, si se ponen en contacto el cloro (Cl), que es un gas en condiciones normales, con el sodio (Na), que es un sólido plateado y blando, se produce una sustancia con características físicas y químicas completamente diferentes a los "ingredientes" utilizados, el cloruro de sodio (NaCl), sal de mesa o sal común. Esto era completamente diferente al caso, por ejemplo, de mezclar sal y azúcar en cuya mezcla podían diferenciarse fácilmente los granos de cada ingrediente. Los átomos no se han mezclado, se han "acoplado" de alguna forma para dar como resultado una molécula de una sustancia absolutamente diferente un compuesto.
La representación mostrada de la molécula del metano nos induce a pensar que la distribución espacial de los átomos es plana y que los átomos de hidrógeno están colocados a 90° unos de otros formando una cruz. ¿Es esto cierto?
La forma de las moléculas
Las moléculas en la realidad no siempre tienen los átomos distribuidos en un plano, en su lugar ellas forman figuras geométricas tridimensionales. Las posiciones relativas de los átomos en las moléculas resultan obligadas por la fuerza de repulsión entre los electrones de valencia (aquellos electrones que forman el enlace) que tienen cargas del mismo signo. Veamos:
Volvamos a la molécula del metano, en ella las zonas donde se encuentran los enlaces entre los átomos son regiones de elevada carga negativa debido a la presencia de los electrones de valencia compartidos (figura 1). Debido a la repulsión entre las regiones, estas se colocarán en el espacio a la mayor distancia posible.Geométricamente el ángulo de 90° en un mismo plano, aunque lo aparenta, no establece la mayor distancia entre los enlaces, esta se logra cuando los átomos de hidrógeno se colocan según se muestra en la figura 2, en cuya disposición los enlaces están a la mayor distancia posible. Véase en forma de barras y bolas en la figura 3.Esta disposición de los átomos adquiere una forma de tetraedro regular. Un tetraedro regular es un polígono con los cuatro lados formados por triángulos equiláteros idénticos y observe que hay un átomo en el vértice de cada triángulo (figura 4).Ángulos iguales de 109.5° son lo que producen lo deseado, es decir la mayor separación entre los enlaces y por tanto la menor repulsión posible entre ellos, y con esto se maximiza la estabilidad de la molécula.Esta disposición no es exclusiva del metano, cada vez que usted tenga cuatro pares de electrones alrededor de un átomo en una molécula, la forma preferida será el tetraedro regular.
El formaldehído
Pero no siempre hay cuatro pares de electrones alrededor de un átomo y de hecho la situación es distinta en muchos casos. Veamos el caso del formaldehído de fórmula CH2O. En el formaldehído la situación es distinta comparado con el metano, empecemos por construir el diagrama de la molécula plano y con los ángulos entre los los enlaces arbitrariamente a 90°.
Ahora nos toca determinar cual es la disposición geométrica de los enlaces para que estén a la mayor distancia posible. Pero la cosa ha cambiado en relación al metano, ahora hay un doble enlace C=O. De acuerdo a la teoría que hemos utilizado hasta ahora, llamada Teoría de Repulsión de Pares de Electrones de Valencia, los enlaces múltiples se tratan como si fueran un grupo simple de electrones o un enlace simple, ya que estos enlaces múltiples ocupan, a groso modo, el mismo espacio que los simples, de modo que en este caso tenemos un átomo de carbono rodeado por tres grupos de electrones, dos grupos con átomos de hidrógeno y un grupo con el átomo de oxígeno (O). Al número de grupos de electrones que rodean el átomo se le llama número estérico (NE), el que ahora para el formaldehído es 3 y que para el caso anterior del metano era 4.
Pues bien, ¿cual es la disposición geométrica mas adecuada para el caso de 3 grupos de electrones? De simple geometría se sabe que la distancia mayor corresponde a la molécula plana con ángulos de 120° entre los enlaces, de manera que se puede predecir que la molécula de formaldehído debe tener los enlaces del átomo de oxígeno con los hidrógenos separados 120° rodeando el átomo de carbono como se muestra en la figura 5 a continuación. La forma es triangular plana.
El acetileno
Estudiemos ahora otro caso, el del acetileno C2H2. Este gas de olor desagradable y muy útil como combustible en las antorchas de soldadura y corte de metales tiene un triple enlace entre dos átomos de carbono, cada uno de los cuales está además enlazado a un átomo de hidrógeno. Comencemos por el diagrama de la molécula mostrado a continuación a la izquierda, utilizando los mismos preceptos que se usaron para el formaldehído, con los ángulos arbitrariamente a 90°.
¿Pero es la configuración de la figura 6 a la izquierda donde los enlaces están mas lejanos?, evidentemente no, ellos están mas separados si los enlaces se disponen a 180° como aparece en la figura 7 a la derecha. Es decir una molécula lineal.En ninguno de los compuestos mostrados hasta ahora el átomo central tiene electrones sobrantes pareados, de modo que veamos ahora uno de esos casos, el amoníaco NH3 un gas bastante común en casa disuelto en agua como agente de limpieza.
Como siempre, empecemos por el diagrama de la molécula, pero ahora, primero como diagrama de puntos que luego se convierte a diagrama de lineas.Primero a la izquierda, en la figura 8, está el diagrama de puntos de la molécula de amoníaco, como es un elemento del grupo VA de la tabla periódica tiene cinco electrones en la capa de valencia, dos pareados, que no se comparten, y tres sin parear. A la derecha, en la figura 9, se muestra el diagrama utilizando barras para los enlaces. Note que solo tres átomos de hidrógeno pueden acoplarse a los electrones sin parear del nitrógeno (N) y queda un par de electrones.Este par de electrones establece una diferencia importante con respecto a las sustancias tratadas con antelación.Los pares de electrones, que se constituyen como una zona de carga negativa concentrada cuentan como un número estérico, esto significa que la molécula de amoníaco tiene como número estérico 4 igual que la del metano visto arriba.El hecho de que esta molécula tiene como número estérico 4 significa que se puede predecir una forma tetraédrica regular con los tres grupos de electrones separados a 109.5 grados. La diferencia ahora radica que el vértice superior del tetraedro no tiene un átomo de hidrógeno, en su lugar aparecen allí los electrones sin parar.
Como lo que nos interesa es la forma de la molécula, es decir como se distribuyen los átomos en el espacio, no se consideran los electrones pareados del vértice superior y solo los átomos involucrados, es decir se tratan los electrones en pares de forma invisible. Teniendo esto último en cuenta la forma del polígono de la molécula del amoníaco baja sustancialmente de altura y resulta piramidal. Ya los cuatro triángulos no son idénticos como en el caso de tetraedro regular.Las determinaciones experimentales muestran que los ángulos de la forma piramidal del amoníaco son ligeramente menores que 109. 5°, y esto es razonable, ya que el par de electrones "ignorado" ocupa un espacio ligeramente mayor que los electrones envueltos en el enlace. Una regla aproximada que puede usarse es que los pares de electrones comprimen el ángulo entre los enlaces unos 2° y con esto podemos predecir que el ángulo H-N-H es aproximadamente de 105°, lo que concuerda bastante bien con el determinado experimentalmente.
Las moléculas son agrupaciones estables de átomos unidos por un tipo de enlace químico que se denomina enlace covalente. Además de este enlace entre átomos las moléculas pueden unirse entre sí y organizarse en forma cristalina en el estado sólido. Las moléculas se representan mediante fórmulas químicas y mediante modelos.
Cuando dos o más átomos iguales o diferentes se unen entre sí formando una agrupación estable dan lugar a una molécula. Así, los gases hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) están constituidos por moléculas diatómicas en las cuales los dos átomos componentes son esencialmente iguales; el agua está formada por moléculas que se producen por la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O); en el gas metano (CH4) cuatro átomos de hidrógeno se enlazan con uno de carbono para formar la correspondiente molécula.
Cada molécula de una sustancia compuesta constituye la porción más pequeña de materia que conserva las propiedades químicas de dicha sustancia. O en otros términos, las sustancias compuestas puras pueden ser consideradas como conjuntos de moléculas iguales. Cualquier proceso observable en o entre sustancias químicas puede interpretarse desde el punto de vista de lo que les sucede a sus átomos, a sus iones o a sus moléculas. Éste fue el planteamiento mantenido por primera vez por Dalton, que supuso una nueva orientación de la química y dio lugar, como uno de sus frutos, a la confección de la primera tabla de masas atómicas.
Un enlace iónico es una fuerza de atracción enérgica que mantienen unidos los iones. Dicho enlace se puede formar entre dos átomos por la transferencia de electrones de la capa de valencia del otro. Los cationes monoatómicos de los elementos tienen cargas iguales al número de grupos.Un enlace covalente es una energía fuerza de atracción que mantiene unidos a dos átomos por la comparición de sus electrones enlazantes son atraídos simultáneamente hacia ambos núcleos atómicos y pasan una parte del tiempo cerca de un átomo y otra parte del tiempo cerca del otro. Sin un par de electrones no es compartido igualmente, el enlace es polar. Esta polaridad es el resultado de la diferencia que hay en las electronegatividades de los átomos para atraer hacia ellos los electrones enlazantes.La regla del octeto predice que los átomos forman suficientes enlaces covalentes para rodearse de ocho electrones cada uno. Existen excepciones para la regla del octeto, en particular para los compuestos covalentes de berilio, para los elementos del grupo 3A y para los elementos del tercer periodo y subsecuentes de la tabla periódica.