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Interacciones químicas
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por Plinio Sosa

a)      Interacciones eléctricas en y entre las partículas

Dada la naturaleza eléctrica de las partículas químicas, es decir, dado que están constituidas por núcleos positivos y electrones negativos, las interacciones químicas son simplemente la consecuencia o el resultado de la interacción eléctrica entre sus partes.

Las interacciones químicas engloban dos casos específicos: obviamente, la interacción eléctrica entre núcleos y electrones pero, también, la interacción eléctrica entre partículas vecinas. O sea que las partículas químicas (iones, moléculas y átomos) también se atraen y se repelen entre sí, debido a su naturaleza eléctrica. Pueden interactuar iones con otros iones. Iones con moléculas polares. Moléculas polares con otras moléculas polares. Y, para colmo, si están suficientemente cerca de sus vecinas, también las moléculas no polares pueden interactuar con otras partículas químicas: iones con moléculas no polares, moléculas polares con no polares y hasta no polares con no polares.

Como es costumbre en la ciencia, la explicación y la descripción de los fenómenos se realiza a través de pequeños modelos teóricos que se refieren, en realidad, a casos ideales o límite[1]. Aquí, toda la abrumadora complejidad de las interacciones químicas se puede describir a partir de cuatro modelos límite: el del enlace covalente, el del enlace metálico, el del enlace iónico y el de las interacciones dipolares.

Los dos primeros (el del enlace covalente y el del enlace metálico) corresponden a interacciones núcleo electrónicas y, por lo tanto, están basados en la mecánica cuántica.

En cambio, los otros dos (el del enlace iónico y el de las interacciones dipolares) corresponden a interacciones entre partículas. Evidentemente estas interacciones pueden ser descritas perfectamente mediante la mecánica cuántica. Pero, por fortuna, también es posible describirlas adecuadamente con el modelo electrostático de la física clásica.

El modelo del enlace covalente describe la interacción entre unos cuántos núcleos (o cores) y unos cuantos electrones dentro de una partícula, aunque el caso más común es específicamente el de dos núcleos (o cores) y dos electrones.

El modelo del enlace metálico describe la interacción entre muchísimos cores y muchísimos electrones.

El modelo del enlace iónico describe la interacción entre iones vecinos.

El modelo de las interacciones dipolares describe la interacción de las partículas neutras con sus vecinas (iones , moléculas o átomos). Estas últimas, las dipolares son mucho más débiles que los enlaces (covalente, metálico e iónico).

b)      Interacciones núcleo–electrónicas

Son las interacciones eléctricas que se dan entre núcleos y electrones. Hay dos casos límite:

-        cuando dos electrones se encuentran localizados entre dos núcleos o cores (o sea, una interacción “dos a dos”) y

-        cuando todos los electrones se encuentran deslocalizados en una red de cores (o sea, interactuando todos contra todos).

El primer caso –la interacción “dos a dos”– se describe mediante el modelo del enlace covalente. El segundo mediante el modelo del enlace metálico.

-        Enlace covalente

Es la interacción eléctrica de dos electrones y dos núcleos (o dos cores). Para describirlo adecuadamente se requiere de la Mecánica Cuántica. El resultado es del que ya hemos hablado anteriormente: dos cores inmersos en el dominio de un par de electrones:

 

 

 Usando el código de las estructuras de Lewis, la representación de un enlace covalente quedaría así:

X—Y

Es decir, las letras representan a los cores (los núcleos junto con los electrones internos) de los elementos X y Y mientras que la raya representa al par de electrones. Se dice que X y Y están enlazados porque comparten un par electrones[2]. La palabra covalente, acuñada en el contexto de la química, es la que se acostumbra usar para decir que se comparten electrones.

Como ya se ha señalado, cualquier partícula polinuclear se puede representar como una cadena de enlaces covalentes. Así, las moléculas de etano se representan así:

Y la red covalente del diamante se representa así:

Hay enlaces covalentes en todas las sustancias no metálicas que consistan de partículas polinucleares. Es decir, también hay enlaces covalentes en algunas sustancias iónicas, aquéllas que consistan de iones polinucleares. Por mencionar un ejemplo tomemos el caso del sulfato de amonio, NH4SO4. Evidentemente consiste de una red de iones sulfato, SO42–, e iones amonio, NH4+, interactuando entre sí pero los núcleos de cada ion se mantienen unidos mediante enlaces covalentes:

-        Enlace metálico

Es la interacción eléctrica de una cantidad enorme de cores y electrones. También es indispensable la Mecánica Cuántica para poderlo describir satisfactoriamente. El resultado que proporciona esta elegante teoría es el de un número enorme de núcleos inmersos, no en el dominio de tan sólo un par de electrones, sino en el dominio del mismo inmenso número de electrones. A la imagen de esta interacción se le suele dar el nombre de modelo del mar electrones.

En el enlace metálico también se comparten electrones. Sólo que ahora son muchos electrones compartidos por muchos cores. En este sentido, no hay una diferencia fundamental entre lo que llamamos enlace covalente y lo que denominamos enlace metálico. Lo que ocurre (interacción eléctrica entre cores y electrones) es exactamente lo mismo siendo el número de cores y electrones involucrados lo único que cambia.

En esta situación de muchos electrones interactuando con mucho cores, los electrones están unidos más débilmente que en el caso “dos a dos” del enlace covalente. Ésa es la razón por la que los sistemas metálicos son buenos conductores de la electricidad: ¡es fácil mover los electrones porque la atracción que ejercen los cores sobre ellos es muy débil!

c)      Interacciones partícula–partícula

-        Enlace iónico

Es la interacción eléctrica entre un número muy grande de iones de carga opuesta. Se puede describir adecuadamente suponiendo que los iones son simplemente puntos con carga (sin masa ni volumen ni forma). Para una mejor descripción, se requeriría de la Mecánica Cuántica. Se puede representar como una red tridimensional donde todos los iones interactúan simultáneamente:

-        Interacciones dipolares

Es la interacción eléctrica entre partículas químicas vecinas. Son más débiles que los enlaces covalente, iónico y metálico. Para su descripción, los iones pueden modelarse como puntos cargados y las moléculas como dipolos eléctricos. Son las responsables de los estados físicos, de la solubilidad y del inicio de las reacciones químicas de materiales y sustancias. En la tabla 10.1, se muestran las 5 posibles interacciones dipolares.

Tabla 10.1. Tipos de interacciones dipolares

Ion–polar

(ion–dipolo permanente)

Polar–polar

(dipolo permanente–dipolo permanente)

Ion–no polar

(ion–dipolo inducido)

Polar–no polar

(dipolo permanente–dipolo inducido)

No polar–no polar

(dipolo instantáneo–dipolo inducido)

Estrictamente no hay ninguna diferencia fundamental entre todos estos tipos de interacciones. Todas (enlace covalente, enlace metálico, enlace iónico e interacciones dipolares) son simplemente interacciones eléctricas. Si acaso hay diferencia, es en la magnitud de la interacción. Las interacciones núcleo-electrón y las interacciones ion-ion son de magnitud similar, es decir son fuertes. En cambio, las interacciones dipolares son mucho más débiles. Para dar cuenta de esta diferencia en magnitud, a las primeras les vamos a dar el nombre de enlaces y a las segundas les vamos a dejar el nombre de interacciones.

Dicho de otro modo, sólo por convención, vamos a usar la palabra enlace para referirnos a las interacciones eléctricas fuertes y la palabra interacción para las interacciones eléctricas débiles (obviamente en el contexto de la escala de las partículas químicas).

En este sentido el enlace químico es una interacción eléctrica fuerte que se da entre núcleos y electrones (modelos covalente y metálico) o entre iones vecinos (modelo iónico).

-        Reacción química

Sin embargo, todavía puede haber interacciones aún más fuertes que las que se dan en los enlaces. Cuando la interacción eléctrica entre dos partículas es muy pero muy fuerte se produce una reacción química. Entre los “jaloneos” y los “empujones” eléctricos (atracciones y repulsiones), los cores y los electrones se reacomodan de tal manera que se forman otras partículas más estables que las originales. En la jerga de los químicos se dice que “se rompen los enlaces de los reactivos y se forman los enlaces de los productos”. Lo que es cierto es que las partículas de los reactivos se desintegran y las partículas de los productos se forman.

Por ejemplo, si ponemos en contacto las sustancias hidrógeno y oxígeno, al chocar unas partículas con otras, la interacción eléctrica entre ellas es tan grande que se intercambian cores y electrones hasta formar partículas más estables (las de agua).

+

Como se puede observar, al final del proceso (después de la reacción), ya no hay moléculas de hidrógeno ni de oxígeno: sólo moléculas de agua. Sin embargo, en estas últimas hay núcleos de oxígeno (uno) y también núcleos de hidrógeno (dos). Los cores y los electrones han encontrado un mejor arreglo: ¡el de las moléculas de agua!

[1] Por ejemplo, las ecuaciones que explican la caída libre de un cuerpo corresponden al caso límite o ideal en el que no hay nada de aire que obstaculice el movimiento del cuerpo. Sin embargo, a partir de este modelo matemático, se pueden explicar los caso reales y concretos.

[2] Aunque, en realidad, son dos cores y dos electrones interactuando eléctricamente, todos con todos. Sin embargo, las atracciones predominan sobre las repulsiones y, por eso, permanecen los cuatro unidos.

 

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