Moléculas y enlaces químicos: construye una en 3D

Compartir es unirse

Los átomos se unen porque unirse reduce su energía. La forma más simple de unirse es compartir. Cada átomo de hidrógeno tiene un electrón y le gustaría tener un segundo para llenar su primera capa. Dos átomos de hidrógeno se acercan y comparten un par de electrones que pertenece a ambos. Ese par compartido es un enlace covalente, que se dibuja como una línea: H–H. El resultado es una molécula de hidrógeno, H₂, en la que los dos átomos cuentan con la capa llena. En la imagen, acerca los dos átomos y verás cómo sus nubes de electrones los atraen y luego los repelen si se acercan demasiado. El punto de equilibrio, a unos 74 picómetros, es la longitud de enlace.

El agua es angular

El oxígeno necesita dos electrones más y cada hidrógeno necesita uno, así que un oxígeno comparte con dos hidrógenos: H₂O. El oxígeno también tiene dos pares de electrones sin compartir, que empujan los dos enlaces O–H para acercarlos. El resultado es una molécula angular, con un ángulo de 104,5° en lugar de una línea recta. El oxígeno atrae los electrones compartidos con más fuerza que el hidrógeno, así que el extremo del oxígeno es algo negativo y los del hidrógeno son algo positivos. Esa carga desigual hace que las moléculas de agua se agarren entre sí y que el agua disuelva tantas cosas. Gira el modelo de la imagen y lee el ángulo.

El dióxido de carbono es lineal

El carbono necesita cuatro electrones más y el oxígeno necesita dos. En el CO₂ el átomo de carbono comparte dos pares con cada oxígeno, lo que es un doble enlace, y se escribe O=C=O. Cuéntalos: el carbono tiene 4 enlaces y cada oxígeno tiene 2, así que todas las valencias quedan satisfechas. El carbono no tiene pares sin compartir que desvíen los enlaces, así que los dos dobles enlaces apuntan en sentidos opuestos y la molécula es recta, de 180°. Cada oxígeno tira por igual en sentidos opuestos, de modo que la molécula no queda desigual en absoluto. Es el gas que exhalas y el gas que absorben las plantas. Compárala con el agua en la imagen: ambas contienen oxígeno, pero la forma y el comportamiento difieren.

Metano y etanol

El metano, CH₄, es un carbono con cuatro enlaces sencillos con hidrógeno. Los cuatro enlaces se separan todo lo posible, hacia los vértices de un tetraedro, con ángulos de 109,5°. Es el componente principal del gas natural. El etanol, C₂H₆O, se construye igual, solo que como una cadena: dos carbonos unidos, cada uno completado con hidrógenos hasta tener cuatro enlaces, y un grupo hidroxilo –OH al final, que se escribe CH₃CH₂OH. Los mismos átomos en otro orden forman una sustancia distinta, el éter dimetílico, CH₃OCH₃. Así que una molécula no es solo una lista de átomos. Es una lista más una forma.

La sal no tiene moléculas

La sal de mesa funciona de otro modo. El sodio cede su electrón externo solitario al cloro, que tiene un hueco libre en su capa externa. El sodio se convierte en el ion positivo Na⁺ y el cloro en el ion negativo Cl⁻. Las cargas opuestas se atraen, y cada ion queda rodeado por seis del otro tipo, en una red cúbica que se repite en todas las direcciones. No existe una molécula de NaCl suelta, solo la proporción de la fórmula, 1 : 1. Es un enlace iónico. La atracción fuerte en todas las direcciones explica que los cristales de sal sean duros y necesiten 801 °C para fundirse. Gira el cristal de la imagen y cuenta los vecinos de un ion.

Arma una molécula

Es hora de montar una. Bajo la imagen puedes elegir átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y unirlos. Cada átomo quiere un número fijo de enlaces, su valencia: carbono 4, nitrógeno 3, oxígeno 2 e hidrógeno 1. Una molécula está completa cuando todos los átomos tienen sus enlaces llenos. Ejemplo resuelto: un nitrógeno y tres hidrógenos dan NH₃, amoníaco, porque los 3 enlaces del nitrógeno encuentran los 3 enlaces sencillos de los hidrógenos. Si el laboratorio conoce tu molécula, le pone nombre, por ejemplo agua, metano, dióxido de carbono, etanol o amoníaco. Si no, muestra la fórmula y te dice qué enlaces siguen abiertos.

Moléculas y enlaces