Enlaces químicos

Los átomos separados por una gran distancia no pueden vincularse; más bien, deben acercarse lo suficiente para que los electrones en sus capas de valencia interactúen. Pero, ¿los átomos alguna vez se tocan entre sí? La mayoría de los físicos dirían que no, porque los electrones cargados negativamente en sus capas de valencia se repelen entre sí. Ninguna fuerza dentro del cuerpo humano, o en cualquier parte del mundo natural, es lo suficientemente fuerte como para superar esta repulsión eléctrica. Entonces, cuando lees acerca de los átomos que se unen o chocan, ten en cuenta que los átomos no se fusionan en un sentido físico.

En cambio, los átomos se unen formando un enlace químico. Un enlace es una atracción eléctrica débil o fuerte que mantiene a los átomos en la misma vecindad. La nueva agrupación suele ser más estable, menos probable que reaccione de nuevo, que sus átomos componentes cuando estaban separados. Una agrupación más o menos estable de dos o más átomos unidos por enlaces químicos se llama molécula. Los átomos unidos pueden ser del mismo elemento, como en el caso del H₂, que se llama hidrógeno molecular o gas hidrógeno. Cuando una molécula está compuesta de dos o más átomos de diferentes elementos, se llama compuesto químico. Por lo tanto, una unidad de agua, o H₂O, es un compuesto, como lo es una molécula única del gas metano, o CH₄.

Tres tipos de enlaces químicos son importantes en la fisiología humana, porque mantienen unidas las sustancias que el cuerpo utiliza para los aspectos críticos de la homeostasis, la señalización y la producción de energía, por nombrar solo algunos procesos importantes. Estos son enlaces iónicos, enlaces covalentes y enlaces de hidrógeno.

Iones y enlaces iónicos

Recuerde que un átomo generalmente tiene el mismo número de protones cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Mientras esta situación permanezca, el átomo es eléctricamente neutro. Pero cuando un átomo participa en una reacción química que resulta en la donación o aceptación de uno o más electrones, el átomo se cargará positiva o negativamente. Esto sucede con frecuencia para la mayoría de los átomos para tener una capa de valencia completa, como se describió anteriormente. Esto puede suceder ya sea ganando electrones para llenar una capa que está más de la mitad o regalando electrones para vaciar una capa que está menos de la mitad, dejando así la siguiente capa de electrones más pequeña como la nueva capa de valencia. Un átomo que tiene una carga eléctrica, ya sea positiva o negativa, es un ion.

El potasio (K), por ejemplo, es un elemento importante en todas las células del cuerpo. Su número atómico es 19. Tiene solo un electrón en su capa de valencia. Esta característica hace que el potasio sea muy probable que participe en reacciones químicas en las que dona un electrón. (Es más fácil para el potasio donar un electrón que ganar siete electrones). La pérdida hará que la carga positiva de los protones del potasio sea más influyente que la carga negativa de los electrones de potasio. En otras palabras, el ión potasio resultante será ligeramente positivo. Un ion de potasio se escribe K⁺, lo que indica que ha perdido un solo electrón. Un ion cargado positivamente se conoce como catión.

Ahora considere el flúor (F), un componente de huesos y dientes. Su número atómico es nueve, y tiene siete electrones en su capa de valencia. Por lo tanto, es muy probable que se una con otros átomos de tal manera que el flúor acepte un electrón (es más fácil para el flúor ganar un electrón que donar siete electrones). Cuando lo haga, sus electrones superarán en número a sus protones en uno, y tendrá una carga negativa general. La forma ionizada de flúor se llama fluoruro, y se escribe como F^–. Un ion cargado negativamente se conoce como anión.

Los átomos que tienen más de un electrón para donar o aceptar terminarán con cargas positivas o negativas más fuertes. Un catión que ha donado dos electrones tiene una carga neta de +2. Usando magnesio (Mg) como ejemplo, esto se puede escribir Mg ⁺⁺ o Mg²⁺. Un anión que ha aceptado dos electrones tiene una carga neta de –2. La forma iónica de selenio (Se), por ejemplo, generalmente se escribe Se^2–.

Las cargas opuestas de cationes y aniones ejercen una atracción mutua moderadamente fuerte que mantiene a los átomos muy cerca formando un enlace iónico. Un enlace iónico es una asociación estrecha y continua entre iones de carga opuesta. La sal de mesa que rocía en su comida debe su existencia a la unión iónica. Como se muestra en la Figura 2.8, el sodio comúnmente dona un electrón al cloro, convirtiéndose en el catión Na⁺. Cuando el cloro acepta el electrón, se convierte en el anión cloruro, Cl^–. Con sus cargos opuestos, estos dos iones se atraen fuertemente.

El sodio dona fácilmente el electrón solitario en su capa de valencia al cloro, que solo necesita un electrón para tener una capa de valencia completa. Las cargas eléctricas opuestas del catión de sodio resultante y el anión cloruro dan como resultado la formación de un enlace de atracción llamado enlace iónico.

El agua es un componente esencial de la vida porque es capaz de romper los enlaces iónicos en las sales para liberar los iones. De hecho, en los fluidos biológicos, la mayoría de los átomos individuales existen como iones. Estos iones disueltos producen cargas eléctricas dentro del cuerpo. El comportamiento de estos iones produce las trazas de la función cardíaca y cerebral observadas como ondas en un electrocardiograma (EKG o ECG) o un electroencefalograma (EEG). La actividad eléctrica que se deriva de las interacciones de los iones cargados es la razón por la que también se les llama electrolitos.

Enlaces Covalentes

A diferencia de los enlaces iónicos formados por la atracción entre la carga positiva de un catión y la carga negativa de un anión, las moléculas formadas por un enlace covalente comparten electrones en una relación de estabilización mutua. Al igual que los vecinos de al lado, cuyos hijos pasan el tiempo primero en una casa y luego en la otra, los átomos no pierden ni ganan electrones permanentemente. En cambio, los electrones se mueven de un lado a otro entre los elementos. Debido al intercambio cercano de pares de electrones (un electrón de cada uno de los dos átomos), los enlaces covalentes son más fuertes que los enlaces iónicos.

Enlaces covalentes no polares

Muestra varios tipos comunes de enlaces covalentes. Tenga en cuenta que los dos átomos unidos covalentemente suelen compartir solo uno o dos pares de electrones, aunque son posibles fragmentos más grandes. El concepto importante a partir de esto es que en los enlaces covalentes, los electrones en la capa de valencia más externa se comparten para llenar las capas de valencia de ambos átomos, estabilizando en última instancia los dos átomos involucrados. En un enlace covalente único, un solo electrón se comparte entre dos átomos, mientras que en un enlace covalente doble, dos pares de electrones se comparten entre dos átomos. Incluso hay enlaces covalentes triples, donde se comparten tres átomos.

Enlaces covalentes polares

Los escritores de noticias a menudo describen grupos de legisladores con puntos de vista completamente opuestos sobre un tema en particular como "polarizados". En química, una molécula polar es una molécula que contiene regiones que tienen cargas eléctricas opuestas. Las moléculas polares se producen cuando los átomos comparten electrones de manera desigual, en enlaces covalentes polares.

El ejemplo más familiar de una molécula polar es el agua. La molécula tiene tres partes: un átomo de oxígeno, cuyo núcleo contiene ocho protones y dos átomos de hidrógeno, cuyos núcleos contienen cada uno solo un protón. Debido a que cada protón ejerce una carga positiva idéntica, un núcleo que contiene ocho protones ejerce una carga ocho veces mayor que un núcleo que contiene un protón. Esto significa que los electrones cargados negativamente presentes en la molécula de agua son atraídos más fuertemente al núcleo de oxígeno que a los núcleos de hidrógeno. Por lo tanto, cada electrón negativo de cada átomo de hidrógeno migra hacia el átomo de oxígeno, haciendo que el extremo de oxígeno de su enlace sea un poco más negativo que el extremo de hidrógeno de su enlace.

Modo planetario de la molécula del agua

Lo que es cierto para los enlaces es cierto para la molécula de agua en su conjunto; es decir, la región de oxígeno tiene una carga ligeramente negativa y las regiones de los átomos de hidrógeno tienen una carga ligeramente positiva. Estas cargas a menudo se denominan "cargas parciales" porque la fuerza de la carga es inferior a un electrón completo, como ocurriría en un enlace iónico.

Enlaces de hidrógeno

Se forma un enlace de hidrógeno cuando un átomo de hidrógeno débilmente positivo ya unido a un átomo electronegativo (por ejemplo, el oxígeno en la molécula de agua) es atraído a otro átomo electronegativo desde otra molécula. En otras palabras, los enlaces de hidrógeno siempre incluyen hidrógeno que ya es parte de una molécula polar.

El ejemplo más común de enlaces de hidrógeno en el mundo natural ocurre entre las moléculas de agua. Ocurre ante tus ojos cada vez que dos gotas de lluvia se funden en una cuenta más grande, o un arroyo se derrama en un río. El enlace de hidrógeno se produce porque el átomo de oxígeno débilmente negativo en una molécula de agua es atraído por los átomos de hidrógeno débilmente positivos de otras dos moléculas de agua.

Observe que los enlaces se producen entre la carga débilmente positiva en los átomos de hidrógeno y la carga débilmente negativa en los átomos de oxígeno. Los enlaces de hidrógeno son relativamente débiles y, por lo tanto, se indican con una línea de puntos (en lugar de una línea continua).

Las moléculas de agua también atraen fuertemente otros tipos de moléculas cargadas, así como iones. Esto explica por qué la "sal de mesa", por ejemplo, en realidad es una molécula llamada "sal" en química, que consiste en cantidades iguales de sodio con carga positiva (Na⁺) y cloruro con carga negativa (Cl^–), se disuelve tan fácilmente en agua , en este caso formando enlaces de iones dipolo entre el agua y los iones cargados eléctricamente (electrolitos). Las moléculas de agua también repelen moléculas con enlaces covalentes no polares, como grasas, lípidos y aceites. Puede demostrar esto con un simple experimento de cocina: vierta una cucharadita de aceite vegetal, un compuesto formado por enlaces covalentes no polares, en un vaso de agua. En lugar de disolverse instantáneamente en el agua, el aceite forma una cuenta distinta porque las moléculas de agua polar repelen el aceite no polar.

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