jueves, 19 de mayo de 2016

8 ENLACE QUÍMICO EN LOS ESTADOS DE LA MATERIA

8.1 Enlaces en el estado sólido

La estructura de los sólidos puede distinguirse en dos categorías básicas, la estructura amorfa y la estructura cristalina. El hielo es un sólido cristalino, que posee una estructura rígida y un orden de amplio rango; sus átomos, moléculas o iones ocupan posiciones específicas y rígidas (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015). 

La organización de los átomos, moléculas o iones en un cristal es tal que la energía atractiva neta de las fuerzas intermoleculares se encuentra a su máximo. Las fuerzas responsables por el mantenimiento de un cristal pueden ser iónicas, covalentes, van des Waals o momentos dipolares (Puentes de hidrógeno); así como una combinación de todas (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

En los sólidos amorfos como el vidrio, se carece de una estructura bien definida.

8.1.1 Sólidos amorfos

De cierta forma los sólidos amorfos se comportan de manera semejante a los líquidos, solo que todo más lento. En ese sentido hay estructuras minicristalinas que funcionan como unidades, pero a diferencia de un cristal normal, las unidades no se unen entre sí a largas distancias, lo cual da cierta movilidad a la estructura (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

Sin embargo los sólidos amorfos poseen una unión a distancias intermedias, lo cual hace que se muevan muy lento, de lo contrario serían líquidos. De hecho las uniones a mediana distancia son lo bastante fuertes para mantener el conjunto estático de forma que se impide el movimiento, pero no lo bastante fuertes como para manifestar una estructura ordenada (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

Un ejemplo de un sólido amorfo es el vidrio, el cual no se mueve, no fluye, pero no posee una estructura organizada (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

Un elemento puede formar tanto una forma cristalina como una forma amorfa, por lo general muchos sólidos amorfos se generan por un congelamiento rápido del estado líquido, lo cual impide que los átomos tengan tiempo de organizarse en la altamente organizada estructura cristalina, creando el sólido amorfo con estructura líquida pero completamente inmóvil (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

8.1.2 Sólidos cristalinos

La estructura y propiedades de los sólidos cristalinos como el punto de fusión, la densidad y la dureza son determinadas por las fuerzas atractivas fuertes y débiles juntas. De hecho, podemos clasificar a los sólidos cristalinos de acuerdo a la fuerza predominante que mantiene unida la estructura (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

8.1.2.1 Cristales iónicos

Los cristales iónicos consisten en iones que se mantienen unidos mediante la fuerza electrostática de los iones. En este sentido el enlace iónico no solo une dos polos electrostáticos bien definidos, sino todos los que le quepan en las tres dimensiones. La estructura de un cristal iónico dependerá de las cargas del catión, del anión y de sus radios (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

El tamaño del ion afecta el modo entre las otras moléculas iónicas se asocia en las tres dimensiones creando 7 posibles unidades cristalinas altamente organizadas (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015)..

Los sólidos iónicos se encuentran unidos fuertemente, por lo que poseen puntos de fusión altos, además no conducen la electricidad debido a que los iones y sus electrones se encuentran estructuralmente empaquetados en las unidades cristalinas. 
La sal común es un cristal iónico.
Sin embargo cuando son disueltos en agua o se funden los iones se liberan, lo cual permite un flujo de electrones extremadamente eficiente (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

8.1.2.2 Cristales moleculares

Los cristales moleculares consisten en átomos o moléculas que se mantienen unidos mediante las interacciones moleculares, ya sean por las interacciones entre dipolos o mediante las fuerzas de van der Waals. 

Un ejemplo de un cristal molecular es el dióxido de azufre sólido, en donde la fuerza atractiva predominante es la fuerza dipolo-dipolo (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).
El hielo es un cristal molecular.
En el caso del hielo, la fuerza atractiva predominante es el punte de hidrógeno, que a su vez es un caso especial de las interacciones dipolo-dipolo. Otros ejemplos de cristales moleculares son el yodo molecular, el fósforo molecular (P4) y el azúfre molecular (S8). Con excepción del hielo, los cristales moleculares se empaquetan tan cerca como les permite el tamaño de sus moléculas y su organización geométrica. (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

Debido a que las interacciones moleculares son mucho más débiles que el enlace iónico, los sólidos moleculares poseen puntos de fusión más bajos que los cristales iónicos, y de hecho muchos de ellos se funden a temperaturas menores a los 200°C (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

8.1.2.3 Cristales covalentes

Los cristales covalentes, también denominados como redes cristalinas covalentes, son átomos que se mantienen unidos por enlaces covalentes en una red extensa en tres dimensiones. No puede señalarse la presencia de una molécula única; pero si puede ocurrir que un mismo elemento presente diversas maneras de empaquetarse (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).
A parte de los cristales naturales grafito y diamante, se ha logrado crear otros como los nanotubos y las esferas de carbono.

Un ejemplo típico es el carbono, que puede unirse a otros carbonos formando diferentes cristales, que en suma forman varios alótropos, los alótropos vistos macroscópicamente parecen materiales diferentes, para el carbono estos materiales aparentemente diferentes son el grafito, el carbón mineral, el diamante y el grafeno (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

En el diamante los carbonos se organizan tetraédricamente mediante enlaces simples a otros cuatro carbonos. Estos enlaces sigma perfectos en tres dimensiones contribuyen a la dureza del diamante (Material natural más duro conocido) y su alto punto de fusión (3550°C) (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

En el grafito los átomos de carbono se organizan en anillos de seis mediante enlaces sigma y enlaces pi. El enlace pi es menos estable que el sigma, y de forma análoga a lo que sucede en el benceno, los electrones pi tienden a deslocalizarse y moverse con facilidad. Para el caso del grafito, los electrones pi pueden moverse fácilmente, haciendo del grafito un buen conductor de la electricidad. Debido a que las unidades del grafito son planas, por lo que aun cuando dichas hojas sean duras, se pueden mover una sobre la otra de forma sencilla, esto le da al grafito sus características únicas como material para escritura además de ser un buen lubricante (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).


Otro tipo de cristal covalente es el cuarzo creado por moléculas de dióxido de silicio. La organización de los átomos de silicio en el cuarzo es similar a las del carbono en el diamante, pero debido a la presencia de oxígeno, el enlace covalente es imperfecto, por lo que el cuarzo presenta propiedades semejantes, pero no tan extremas como las del diamante (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

8.1.2.4 Cristales metálicos

De cierta forma los cristales metálicos son los más fáciles de estudiar debido a que cada vértice del cristal está ocupado por un átomo simple del mismo elemento.  El enlace de los metales es bastante diferente del de otros cristales. En el enlace de los metales no hay enlaces individuales que unan a cada unidad, sino un colosal enlace púnico compuesto por electrones deslocalizados que rodean a la red de átomos metálicos (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).
Cristales de cromo
De hecho, los metales pueden imaginarse como una red de iones positivos inmersos en una red o nube de electrones deslocalizados, prestos para ser captados por átomos oxidantes. La gran fuerza cohesiva de esta nueve de electrones es la responsable por la gran fuerza de los metales, que aumenta con el número de electrones de valencia (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

Por ejemplo, los metales con un solo electrón de valencia tienen puntos de fusión relativamente bajo (97,6°C) y son blandos, mientras que el aluminio que posee tres electrones de valencia tiene un punto de fusión de 660°C y es más duro. Cabe anotar que esta tendencia no se cumple tan bien para los metales de transición con valencias variables, el hierro por ejemplo tiene valencias 2 y máximo 3, pero posee un punto de fusión de 1558°C. la mayoría de los metales de transición son duros y poseen altos puntos de fusión (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

La movilidad de los electrones deslocalizados del enlace metálico los hace fáciles de empujar y agitar, lo cual les otorga sus conocidas propiedades conductivas de electricidad y calor, aunque también debido a la deslocalización, los electrones metálicos de valencia son fáciles de capturar por elementos oxidantes, lo cual los hace susceptibles a la oxidación.

8.2 Enlaces en el estado líquido y gaseoso

El estado líquido se caracteriza por un movimiento de las moléculas relativamente libre y relativamente organizado. En términos moleculares es un estado amorfo pero con una capacidad atractiva intermedia y baja. Los líquidos se forman cuando se adiciona suficiente energía a un sólido, lo cual desestabiliza las fuerzas que lo mantiene unido. Mientras más débiles sean dichas fuerzas, menos energía es necesaria para desestabilizar los componentes del sólido(Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

Una vez en estado líquido las moléculas interactúan entre si, tanto atractiva como repulsivamente, provocando las propiedades de flujo, incompresibilidad y adquisición de la forma del contenedor donde se encuentren(Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

En el estado gaseoso se adiciona suficiente energía al sistema como para romper todas las interacciones moleculares, lo cual hace que las moléculas se muevan independientes unas de otras, incrementando al máximo el volumen que ocupan, ya que no hay fuerza que las mantengan unidas (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).

Hay que resaltar que aquellas moléculas que no presentan momentos dipolares son más susceptibles a separarse (Chang & Overby, 2011; Chang, 2006; Ebbing & Gammon, 2008; McMurry et al., 2007; Timberlake, 2015).


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