Explicación y estructura de los distintos enlaces químicos: enlaces iónicos, enlaces covalentes y puentes de hidrógeno. En este artículo se describe cómo los electrones de valencia forman enlaces o uniones químicos. Se dará la diferencia entre enlaces iónicos y covalentes y puentes de hidrógeno para que puedas trasladar este conocimiento a temas de química, bioquímica y biología, principalmente.
Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos de una molécula o de un compuesto son los enlaces o uniones químicas. La posibilidad de que un átomo forme un enlace químico con otro depende del número de electrones en su nivel de energía más externo o nivel de valencia. Un átomo que contiene ocho electrones en su nivel de valencia es químicamente estable, lo cual significa que es improbable que forme enlaces químicos con otros átomos.
El neón, por ejemplo, tiene ocho electrones en su nivel de valencia, y por esta razón no es común que forme enlaces con otros átomos. El nivel de valencia del hidrógeno y el helio es el primer nivel, el cual contiene un máximo de dos electrones. Como el helio tiene dos electrones de valencia, es demasiado estable y rara vez forman uniones con otros átomos. Por otra parte, el hidrógeno tiene un sólo electrón de valencia, de tal modo que se une fácilmente con otros átomos.
Los átomos de los elementos de mayor importancia biológica no tienen ocho electrones en sus niveles de valencia. En condiciones favorables, dos o más átomos pueden interactuar de manera que forman una disposición química estable de ocho electrones de valencia para cada átomo. Este principio químico, denominado ley del octeto ayuda a explicar por qué los átomos interactúan de una manera predecible.
Un átomo tiene mayor probabilidad de unirse con otro si en el proceso quedan ambos con ocho electrones de su nivel de valencia. Para que esto ocurra, un átomo puede ceder electrones de su nivel de valencia parcialmente ocupada, llenarlo con electrones donados por otro átomo o compartir electrones con otro átomo. La forma en que se distribuyen los electrones de valencia determina el tipo de unión química que se establece. Se tendrá consideración de tres tipos de enlaces químicos: iónicos, covalentes y puentes de hidrógeno.
Cuando los átomos pierden o ganan uno o más electrones de valencia, se forman iones. Los iones con carga positiva y los iones con carga negativa se atraen entre sí (los opuestos se atraen). La fuerza de atracción que mantiene unidos a los iones de cargas opuestas es una unión o enlace iónico. Por ejemplo, los átomos de cloro y sodio, los componentes de la sal de mesa. El sodio tiene un electrón de valencia.
Si el sodio pierde este electrón, se queda con ocho electrones en su segundo nivel, el cual se convierte en su nivel de valencia. Sin embargo, el resultado es que el número total de protones (11) ahora excede el número total de electrones (10). De tal forma, el átomo de sodio se transforma en un catión, o ion de carga positiva. Un ion de sodio tiene una carga de 1+ y se escribe Na+. Por otra parte, el cloro tiene siete electrones de valencia. Si el cloro gana un electrón de un átomo vecino tendría ocho electrones en su tercer nivel de electrones.
Cuando esto ocurre, el número total de electrones (18) excede al número de protones (17) y el átomo de cloro se convierte en un anión, un ion con carga negativa. La forma iónica del cloro se denomina "ion cloruro". Tiene una carga de 1- y se escribe Cl-. Cuando un átomo de sodio cede su único electrón de valencia a un átomo de cloro, las cargas positivas y negativas unen firmemente a ambos iones entre sí y forman un enlace iónico. El compuesto iónico resultante es el cloruro de sodio, que se escribe NaCl.
En general, los compuestos iónicos se presentan en forma sólida, con los iones organizados en forma repetida y ordenada como sucede en un cristal de NaCl. Un cristal de NaCl puede ser grande o pequeño ya que el número total de iones puede variar, pero la relación entre el Na+ y el Cl- es siempre 1:1. En el cuerpo, los enlaces iónicos se encuentran sobre todo en los huesos y los dientes, donde otorgan firmeza a estos importante tejidos estructurales.
Los compuestos iónicos que se disocian en aniones y cationes en solución se denominan electrolitos. La mayor parte de los iones están en líquidos corporales bajo la forma de electrolitos, así denominados porque sus soluciones pueden conducir corriente eléctrica.
Cuando se forma un enlace covalente, dos o más átomos comparten electrones en lugar de ganarlos o cederlos. Lo átomos constituyen una molécula unida en forma covalente al compartir uno, dos o tres pares de electrones de valencia. Cuanto mayor sea el número de pares de electrones compartidos entre los átomos, más fuerte será el enlace covalente. Los enlaces covalentes pueden formarse entre átomos del mismo elemento o entre átomos de elementos distintos. Son los enlaces químicos más comunes en el cuerpo humano, y los compuestos que resultan de ellas constituyen la mayor parte de las estructuras corporales.
Cuando dos átomos comparten un par de electrones se forma un enlace covalente simple. Por ejemplo, una molécula de hidrógeno está constituida por dos átomos de hidrógeno que comparten su único electrón de valencia, lo cual permite que ambos átomos tengan su capa de valencia completa al menos por un tiempo. Un enlace covalente doble se forma cuando dos átomos comparten dos pares de electrones, como ocurre en una molécula de oxígeno. En un enlace covalente triple dos átomos comparten tres pares de electrones, como ocurre en la molécula de nitrógeno.
Los mismos principios de enlace covalente que se aplican a los átomos de un mismo elemento también rigen los enlaces covalentes entre átomos de elementos distintos. El gas metano (CH4) contiene enlaces covalentes entre átomos de dos elementos, un carbono y cuatro hidrógenos. El nivel de valencia del átomo de carbono puede contener ocho electrones, pero sólo cuatro de ellos son propios.
El único nivel de valencia del átomo de hidrógeno puede contener dos electrones, pero cada átomo de hidrógeno tiene sólo uno propio. La molécula de metano está formada por cuatro enlaces covalentes simples separados. Cada átomo de hidrógeno comparte un par de electrones con el átomo de carbono.
En algunos enlaces covalentes dos átomos comparten los electrones por igual, es decir que ninguno de los átomos atrae los electrones compartidos con mayor fuerza. Este tipo de unión es un enlace unión covalente no polar. Los enlaces entre dos átomos idénticos siempre son uniones covalentes no polares. Los enlaces entre los átomos de carbono e hidrógeno también son no polares, como las cuatro uniones C-H en la molécula de metano.
En un enlace covalente polar, los electrones son compartidos entre dos átomos en forma desigual: el núcleo de un átomo atrae el par de electrones con mayor fuerza que el núcleo del otro átomo. Cuando se forman enlaces covalentes polares, la molécula resultante tiene una carga parcial negativa cerca del átomo que atrae los electrones con mayor fuerza. Este átomo tiene mayor electronegatividad, el poder de atraer electrones.
De esta manera, al menos uno de los otros átomos de la molécula tendrá una carga parcial positiva. Las cargas parciales se indican con una delta griega en letra minúscula y un signo menos o más: δ o δ+. Un ejemplo muy importante de un enlace covalente polar en los sistemas vivos es la unión entre el oxigeno y el hidrógeno en la molécula de agua. En esta molécula, el núcleo del átomo de oxígeno atrae a los electrones con mayor fuerza que los núcleos de los átomos de hidrógeno, por lo cual se dice que el átomo de oxígeno tiene mayor electronegatividad.
Los enlaces covalentes polares que se forman entre átomos de hidrógeno y otros átomos dan origen a un tercer tipo de unión química, los puentes de hidrógeno. Se forma un enlace o puente de hidrógeno cuando un átomo de hidrógeno con una carga parcial positiva (δ+) atrae a la carga parcial negativa (δ-) de los átomos electronegativos vecinos, por lo general oxígeno o nitrógeno. De tal modo, los puentes de hidrógeno resultan de la atracción de partes de moléculas con cargas opuestas, más que compartir electrones como ocurre en los enlaces covalentes, o de la pérdida o ganancia de electrones, como en los enlaces iónicos.
Los puentes de hidrógeno son débiles en comparación con los enlaces iónicos o los covalentes. Por ende, no pueden unir átomos para formar moléculas. Sin embargo, los puentes de hidrógeno establecen importantes ligaduras entre moléculas o entre las distintas partes de una moléculas grande como una proteínas o un ácido nucleico.
Los puentes de hidrógeno entre moléculas vecinas de agua le proporcionan un importante grado de cohesión, la tendencia de partículas similares a mantenerse juntas. La cohesión de las moléculas de agua crea una gran tensión superficial, la medida de la resistencia para estirar o romper la superficie de un líquido. En la zona de contacto entre el agua y el aire, la tensión superficial del agua es muy alta ya que las moléculas de agua se atraen mucho más entre sí que con las moléculas de aire. Esto se ve claramente cuando una araña camina sobre la superficie del agua o cuando una hoja flota sobre ésta.
La influencia de la tensión superficial del agua sobre el cuerpo humano puede verse en la forma en que aumenta el trabajo necesario para respirar. Una fina capa de líquido acuoso cubre los alvéolos pulmonares. De esta manera, cada inspiración debe tener la fuerza suficiente como para vencer la tensión superficial que se opone al estiramiento y dilatación de los alvéolos cuando se inhala aire.
Pese a que un único puente de hidrógeno es débil, las moléculas pueden contener miles de estas uniones. Actuando en conjunto los puentes de hidrógeno proveen una fuerza y una estabilidad considerable y ayudan a determinar la forma tridimensional de las moléculas grandes.
Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos de una molécula o de un compuesto son los enlaces o uniones químicas. La posibilidad de que un átomo forme un enlace químico con otro depende del número de electrones en su nivel de energía más externo o nivel de valencia. Un átomo que contiene ocho electrones en su nivel de valencia es químicamente estable, lo cual significa que es improbable que forme enlaces químicos con otros átomos.
El neón, por ejemplo, tiene ocho electrones en su nivel de valencia, y por esta razón no es común que forme enlaces con otros átomos. El nivel de valencia del hidrógeno y el helio es el primer nivel, el cual contiene un máximo de dos electrones. Como el helio tiene dos electrones de valencia, es demasiado estable y rara vez forman uniones con otros átomos. Por otra parte, el hidrógeno tiene un sólo electrón de valencia, de tal modo que se une fácilmente con otros átomos.
Los átomos de los elementos de mayor importancia biológica no tienen ocho electrones en sus niveles de valencia. En condiciones favorables, dos o más átomos pueden interactuar de manera que forman una disposición química estable de ocho electrones de valencia para cada átomo. Este principio químico, denominado ley del octeto ayuda a explicar por qué los átomos interactúan de una manera predecible.
Un átomo tiene mayor probabilidad de unirse con otro si en el proceso quedan ambos con ocho electrones de su nivel de valencia. Para que esto ocurra, un átomo puede ceder electrones de su nivel de valencia parcialmente ocupada, llenarlo con electrones donados por otro átomo o compartir electrones con otro átomo. La forma en que se distribuyen los electrones de valencia determina el tipo de unión química que se establece. Se tendrá consideración de tres tipos de enlaces químicos: iónicos, covalentes y puentes de hidrógeno.
Enlaces iónicos
Cuando los átomos pierden o ganan uno o más electrones de valencia, se forman iones. Los iones con carga positiva y los iones con carga negativa se atraen entre sí (los opuestos se atraen). La fuerza de atracción que mantiene unidos a los iones de cargas opuestas es una unión o enlace iónico. Por ejemplo, los átomos de cloro y sodio, los componentes de la sal de mesa. El sodio tiene un electrón de valencia.
Si el sodio pierde este electrón, se queda con ocho electrones en su segundo nivel, el cual se convierte en su nivel de valencia. Sin embargo, el resultado es que el número total de protones (11) ahora excede el número total de electrones (10). De tal forma, el átomo de sodio se transforma en un catión, o ion de carga positiva. Un ion de sodio tiene una carga de 1+ y se escribe Na+. Por otra parte, el cloro tiene siete electrones de valencia. Si el cloro gana un electrón de un átomo vecino tendría ocho electrones en su tercer nivel de electrones.
Cuando esto ocurre, el número total de electrones (18) excede al número de protones (17) y el átomo de cloro se convierte en un anión, un ion con carga negativa. La forma iónica del cloro se denomina "ion cloruro". Tiene una carga de 1- y se escribe Cl-. Cuando un átomo de sodio cede su único electrón de valencia a un átomo de cloro, las cargas positivas y negativas unen firmemente a ambos iones entre sí y forman un enlace iónico. El compuesto iónico resultante es el cloruro de sodio, que se escribe NaCl.
En general, los compuestos iónicos se presentan en forma sólida, con los iones organizados en forma repetida y ordenada como sucede en un cristal de NaCl. Un cristal de NaCl puede ser grande o pequeño ya que el número total de iones puede variar, pero la relación entre el Na+ y el Cl- es siempre 1:1. En el cuerpo, los enlaces iónicos se encuentran sobre todo en los huesos y los dientes, donde otorgan firmeza a estos importante tejidos estructurales.
Los compuestos iónicos que se disocian en aniones y cationes en solución se denominan electrolitos. La mayor parte de los iones están en líquidos corporales bajo la forma de electrolitos, así denominados porque sus soluciones pueden conducir corriente eléctrica.
Enlaces covalentes
Cuando se forma un enlace covalente, dos o más átomos comparten electrones en lugar de ganarlos o cederlos. Lo átomos constituyen una molécula unida en forma covalente al compartir uno, dos o tres pares de electrones de valencia. Cuanto mayor sea el número de pares de electrones compartidos entre los átomos, más fuerte será el enlace covalente. Los enlaces covalentes pueden formarse entre átomos del mismo elemento o entre átomos de elementos distintos. Son los enlaces químicos más comunes en el cuerpo humano, y los compuestos que resultan de ellas constituyen la mayor parte de las estructuras corporales.
Cuando dos átomos comparten un par de electrones se forma un enlace covalente simple. Por ejemplo, una molécula de hidrógeno está constituida por dos átomos de hidrógeno que comparten su único electrón de valencia, lo cual permite que ambos átomos tengan su capa de valencia completa al menos por un tiempo. Un enlace covalente doble se forma cuando dos átomos comparten dos pares de electrones, como ocurre en una molécula de oxígeno. En un enlace covalente triple dos átomos comparten tres pares de electrones, como ocurre en la molécula de nitrógeno.
Los mismos principios de enlace covalente que se aplican a los átomos de un mismo elemento también rigen los enlaces covalentes entre átomos de elementos distintos. El gas metano (CH4) contiene enlaces covalentes entre átomos de dos elementos, un carbono y cuatro hidrógenos. El nivel de valencia del átomo de carbono puede contener ocho electrones, pero sólo cuatro de ellos son propios.
El único nivel de valencia del átomo de hidrógeno puede contener dos electrones, pero cada átomo de hidrógeno tiene sólo uno propio. La molécula de metano está formada por cuatro enlaces covalentes simples separados. Cada átomo de hidrógeno comparte un par de electrones con el átomo de carbono.
En algunos enlaces covalentes dos átomos comparten los electrones por igual, es decir que ninguno de los átomos atrae los electrones compartidos con mayor fuerza. Este tipo de unión es un enlace unión covalente no polar. Los enlaces entre dos átomos idénticos siempre son uniones covalentes no polares. Los enlaces entre los átomos de carbono e hidrógeno también son no polares, como las cuatro uniones C-H en la molécula de metano.
En un enlace covalente polar, los electrones son compartidos entre dos átomos en forma desigual: el núcleo de un átomo atrae el par de electrones con mayor fuerza que el núcleo del otro átomo. Cuando se forman enlaces covalentes polares, la molécula resultante tiene una carga parcial negativa cerca del átomo que atrae los electrones con mayor fuerza. Este átomo tiene mayor electronegatividad, el poder de atraer electrones.
De esta manera, al menos uno de los otros átomos de la molécula tendrá una carga parcial positiva. Las cargas parciales se indican con una delta griega en letra minúscula y un signo menos o más: δ o δ+. Un ejemplo muy importante de un enlace covalente polar en los sistemas vivos es la unión entre el oxigeno y el hidrógeno en la molécula de agua. En esta molécula, el núcleo del átomo de oxígeno atrae a los electrones con mayor fuerza que los núcleos de los átomos de hidrógeno, por lo cual se dice que el átomo de oxígeno tiene mayor electronegatividad.
Puentes de hidrógeno
Los enlaces covalentes polares que se forman entre átomos de hidrógeno y otros átomos dan origen a un tercer tipo de unión química, los puentes de hidrógeno. Se forma un enlace o puente de hidrógeno cuando un átomo de hidrógeno con una carga parcial positiva (δ+) atrae a la carga parcial negativa (δ-) de los átomos electronegativos vecinos, por lo general oxígeno o nitrógeno. De tal modo, los puentes de hidrógeno resultan de la atracción de partes de moléculas con cargas opuestas, más que compartir electrones como ocurre en los enlaces covalentes, o de la pérdida o ganancia de electrones, como en los enlaces iónicos.
Los puentes de hidrógeno son débiles en comparación con los enlaces iónicos o los covalentes. Por ende, no pueden unir átomos para formar moléculas. Sin embargo, los puentes de hidrógeno establecen importantes ligaduras entre moléculas o entre las distintas partes de una moléculas grande como una proteínas o un ácido nucleico.
Los puentes de hidrógeno entre moléculas vecinas de agua le proporcionan un importante grado de cohesión, la tendencia de partículas similares a mantenerse juntas. La cohesión de las moléculas de agua crea una gran tensión superficial, la medida de la resistencia para estirar o romper la superficie de un líquido. En la zona de contacto entre el agua y el aire, la tensión superficial del agua es muy alta ya que las moléculas de agua se atraen mucho más entre sí que con las moléculas de aire. Esto se ve claramente cuando una araña camina sobre la superficie del agua o cuando una hoja flota sobre ésta.
La influencia de la tensión superficial del agua sobre el cuerpo humano puede verse en la forma en que aumenta el trabajo necesario para respirar. Una fina capa de líquido acuoso cubre los alvéolos pulmonares. De esta manera, cada inspiración debe tener la fuerza suficiente como para vencer la tensión superficial que se opone al estiramiento y dilatación de los alvéolos cuando se inhala aire.
Pese a que un único puente de hidrógeno es débil, las moléculas pueden contener miles de estas uniones. Actuando en conjunto los puentes de hidrógeno proveen una fuerza y una estabilidad considerable y ayudan a determinar la forma tridimensional de las moléculas grandes.