Estructura Molecular

Estructura Molecular

La investigación de la estructura molecular es paralela al estudio de la estructura atómica, en el sentido de que los métodos de la mecánica cuántica se aplican junto con la información obtenida a partir de los espectros moleculares.

Una parte importante del estudio de la estructura molecular es la descripción de los enlaces químicos que se forman entre los átomos. Los estudios clásicos son los rigurosos enlace iónico en el cloruro de sodio y el enlace covalente en la molécula de hidrógeno.

Cloruro de sodio

Iónico

Molécula de hidrógeno

Covalente

Los espectros moleculares pueden dar información sobre la intensidad del enlace, como se revela en los espectros de vibración, y sobre las longitudes de enlace, tal como se revela en los espectros de rotación.

Enlace Químico

Los compuestos químicos están formados por la unión de dos o más átomos. Un compuesto estable se produce cuando la energía total de la combinación es menor que la de los átomos separados. El estado de ligamiento implica una fuerza neta de atracción entre los átomos... un enlace químico. Los dos casos extremos de enlaces químicos son:

Enlace Covalente: el enlace en el que uno o más pares de electrones son compartidos por dos átomos.

Enlace iónico: el enlace en el que uno o más electrones de un átomo es retirado y se une a otro átomo, resultando en iones positivos y negativos que se atraen entre sí.

En otros tipos de enlaces se incluyen los enlaces metálicos y los enlaces de hidrógeno. Las fuerzas de atracción entre las moléculas en un líquido se puede caracterizar como fuerzas de van der Waals.

Cloruro Sódico

Iónico

Molécula de Hidrógeno

Covalente

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Enlace Covalente

Los enlaces químicos covalentes, implican el intercambio de un par de electrones de valencia por dos átomos, en contraste con la transferencia de electrones en los enlaces iónicos. Tales enlaces si comparten electrones, conducen a moléculas estables de tal forma, como si se fuera a crear una configuración de gas noble para cada átomo.

El gas de hidrógeno forma el mas simple enlace covalente en la molécula de hidrógeno diatómico. Los halógenos tales como el cloro, también existen como gases diatómicos mediante la formación de enlaces covalentes. El nitrógeno y el oxígeno que constituye el grueso de la atmósfera, también exhiben un enlace covalente, formando moléculas diatómicas.

El enlace covalente se puede visualizar con la ayuda de los diagramas de Lewis.

Comparación de Materiales Iónicos y Covalentes

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Enlace Covalente Polar

Los enlaces covalentes en el que el reparto del par de electrones es desigual, con los electrones pasando más tiempo alrededor del átomo no metálico, se llaman enlaces covalentes polares. En tal enlace hay una separación de la carga, siendo un átomo ligeramente más positivo, y el otro más negativo, es decir, el enlace producirá un momento dipolar. La capacidad de un átomo para atraer electrones en presencia de otro átomo, es una propiedad medible llamada electronegatividad.

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Enlace Iónico

En los enlaces químicos, los átomos pueden transferir o compartir sus electrones de valencia. En el caso extremo en que uno o más átomos pierden electrones, y otros átomos los ganan con el fin de producir una configuración de electrones de gas noble, el enlace se denomina enlace iónico.

Los enlaces iónicos típicos son los de los haluros alcalinos, tales como el cloruro de sodio, NaCl.

El enlace iónico se puede visualizar con la ayuda de los diagramas de Lewis.

Comparación de Materiales Iónicos y Covalentes

Contribuciones de Energía a los Enlaces Iónicos

Tabla de Enlaces Diatómicos Iónicos

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Enlace Metálico

Las propiedades de los metales sugieren que sus átomos poseen enlaces fuertes, sin embargo, la facilidad de conducción del calor y la electricidad, sugieren que los electrones pueden moverse libremente en todas las direcciones del metal. Las observaciones generales para describir el enlace metálico, dan lugar a un cuadro de "iones positivos en un mar de electrones". Índice

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Propiedades de los Metales

Las propiedades generales de los metales incluyen la maleabilidad y la ductilidad, la mayoría son fuertes y duraderos. Son buenos conductores del calor y la electricidad. Su resistencia indica que los átomos son difíciles de separar, pero la maleabilidad y ductilidad, sugieren que los átomos son relativamente fáciles de moverse en varias direcciones. La conductividad eléctrica sugiere que es fácil de mover los electrones en cualquier dirección en estos materiales. La conductividad térmica también implica el movimiento de electrones. La naturaleza de los enlaces metálicos sugiere todas estas propiedades entre los átomos. Índice

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Enlace de Hidrógeno

El enlace de hidrógeno se diferencia de otros usos de la palabra "enlace" ya que es una fuerza de atracción entre un átomo de hidrógeno en una molécula, y un pequeño átomo de alta electronegatividad en otra molécula. Es decir, es una fuerza intermolecular, no una fuerza intramolecular como ocurre en el uso común de la palabra enlace.

Cuando están unidos los átomos de hidrógeno en un enlace covalente polar, con un pequeño átomo de alta electronegatividad tal como O, N o F, la carga positiva parcial sobre el hidrógeno está altamente concentrada, debido a su pequeño tamaño. Si el hidrógeno está cerca de otro oxígeno, flúor o nitrógeno en otra molécula, entonces hay una fuerza de atracción denominada interacción dipolo-dipolo. Esta atracción o "enlace de hidrógeno" puede tener aproximadamente sobre un 5% a 10% de la fuerza de un enlace covalente.

El enlace de hidrógeno tiene un efecto muy importante sobre las propiedades del agua y del hielo. El enlace de hidrógeno es también muy importante en las proteínas y los ácidos nucleicos, y por lo tanto en los procesos vitales. La "descompresión" del ADN es una ruptura de los enlaces de hidrógeno que ayudan a mantener juntas las dos hebras de la doble hélice. Índice

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Estructura Molecular

La estructura molecular de un plástico consiste de cadenas moleculares muy largas conformadas por unidades que se repiten, denominadas monómeros, enlazadas químicamente. Por lo anterior los químicos y los textos técnicos nos hablan generalmente de polímeros cuando se refieren a los materiales plásticos.

Por ejemplo, la molécula de polietileno está conformada por unidades de monómero de etileno que se repiten.

Como se ha dicho anteriormente, las moléculas poliméricas son muy largas, por lo que se denominan macromoléculas. Los polietilenos comerciales están conformados por una cantidad del orden de 104 monómeros de etileno; por lo que resulta bastante tedioso dibujar o escribir la fórmula química completa, se simplifica la fórmula de las estructuras poliméricas escribiendo la estructura del monómero base encerrada entre corchetes y con el subíndice n para indicar que se repite muchas veces.

Existen dos factores moleculares que gobiernan las propiedades mecánicas de un polímero. El primero es la longitud de la cadena, la cual es proporcional al número de monómeros n, y por ende proporcional al tamaño molecular, o masa molecular relativa . El segundo es la forma de la molécula, que depende de la cantidad de ramificaciones laterales que tenga la cadena principal. Incluso pequeñas variaciones en el número de ramificaciones pueden causar cambios apreciables, por ejemplo, en el módulo elástico y en la tenacidad.

Cuando la cadena polimérica es única y no posee ramificaciones a los costados se habla de polímeros lineales, mientras que si presenta ramificaciones se habla de polímeros ramificados.

Molécula de polietileno lineal

Molécula de polietileno ramificado

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