Enlace covalente

Aunque el concepto de molécula se remonta al siglo xvii, no fue sino a principios del siglo xx que los químicos empezaron a comprender cómo y por qué se forman las moléculas. El primer avance importante en este sentido surgió con la proposición de Gilbert Lewis de que la formación de un enlace químico implica que los átomos compartan electrones. Lewis describió la formación de un enlace químico en el hidrógeno como:

H⋅ + ⋅H ⎯→ H : H

Este tipo de apareamiento de electrones es un ejemplo de enlace covalente, un enlace en elque dos electrones son compartidos por dos átomos. Los compuestos covalentes son aquellos que sólo contienen enlaces covalentes. Para simplificar, el par de electrones compartidos se representa a menudo como una sola línea. Así, el enlace covalente de la molécula de hidrógeno se escribe como H⎯H. En el enlace covalente, cada electrón del par compartido es atraído por los núcleos de ambos átomos. Esta atracción mantiene unidos a los dos átomos en la molécula de H2 y es la responsable de la formación de enlaces covalentes en otras moléculas.

En los enlaces covalentes entre átomos polielectrónicos sólo participan los electrones devalencia. Considere por ejemplo la molécula de flúor, F2. La configuración electrónica del F es 1s22s22p5. Los electrones 1s son de baja energía y pasan la mayor parte de tiempo cerca del núcleo, por lo que no participan en la formación del enlace. En consecuencia, cada átomo de F tiene siete electrones de valencia (los electrones 2s y 2p). De acuerdo con la figura 9.1, sólo hay un electrón no apareado en F, de modo que la formación de la molécula de F2 se representa como sigue:

Observe que para formar F2 sólo participan dos electrones de valencia. Los demás, electrones no enlazantes, se llaman pares libres, es decir, pares de electrones de valencia que no participan en la formación del enlace covalente. Así, cada átomo de F en la molécula de F2 tienetres pares libres de electrones:



          pares libres

Las estructuras con las que se representan los compuestos covalentes, como H2 y F2, se conocen como estructuras de Lewis. Una estructura de Lewis es una representación de unenlace covalente, donde el par de electrones compartidos se indica con líneas o como pares de puntos entre dos átomos, y los pares libres no compartidos se indican como pares de puntos en los átomos individuales. En una estructura de Lewis sólo se muestran los electrones de valencia.

consideremos la estructura de Lewis para la molécula de agua. La figura 9.1 señala elsímbolo de puntos de Lewis para el oxígeno con dos puntos no apareados o dos electrones no apareados, por lo que esperamos que el oxígeno pueda formar dos enlaces covalentes. Como el hidrógeno tiene un solo electrón, sólo puede formar un enlace covalente. De modo que la estructura de Lewis para el agua es

En este caso, el átomo de O tiene dos pares libres, en tanto que el átomo de hidrógeno carecede pares libres porque usó su único electrón para formar un enlace covalente. Los átomos de F y O adquieren la configuración de gas noble en las moléculas de F2 y H2O al compartir electrones:

La formación de estas moléculas ilustra la regla del octeto, propuesta por Lewis: un átomo diferente del hidrógeno tiende a formar enlaces hasta que se rodea de ocho electrones de valencia, es decir, se forma un enlace covalente cuando no hay suficientes electrones para que cada átomo individual complete su octeto. Al compartir electrones en un enlace covalente, cada átomo completa su octeto. Para el hidrógeno, el requisito es que obtenga la configuración electrónica del helio o un total de dos electrones.

La regla del octeto funciona principalmente para los elementos del segundo periodo de la tabla periódica. Estos elementos sólo tienen subniveles 2s y 2p, en los que puede haber un total de ocho electrones. Cuando un átomo de uno de estos elementos forma un compuesto covalente, obtiene la configuración electrónica de gas noble (Ne) compartiendo electrones con otros átomos del mismo compuesto. Más adelante analizaremos varias excepciones importantesa la regla del octeto que darán mayor información acerca de la naturaleza del enlace químico.

Los átomos pueden formar distintos tipos de enlaces covalentes. En un enlace sencillo, dos átomos se unen por medio de un par de electrones. En muchos compuestos se forman

enlaces múltiples, es decir, cuando dos átomos comparten dos o más pares de electrones. Si dos átomos comparten dos pares de electrones, el enlace covalente se denomina enlace doble.Estos enlaces se encuentran en moléculas como dióxido de carbono (CO2) y etileno (C2H4):

Un enlace triple surge cuando dos átomos comparten tres pares de electrones, como en la molécula de nitrógeno (N2):

La molécula de acetileno (C2H2) también tiene un enlace triple, en este caso entre dos átomos de carbono:

Advierta que en el etileno y el acetileno todos los electrones de valencia son enlazantes; no  hay pares libres en los átomos de carbono. De hecho, a excepción del monóxido de carbono, las moléculas estables de carbono no tienen pares libres en estos átomos.         Los enlaces múltiples son más cortos que los enlaces covalentes sencillos. La longitud de enlace  se define como la longitud entre el núcleo de dos átomos unidos por un enlace covalente en una molécula (figura 9.3). En la tabla 9.2 se muestran algunas longitudes de enlace determinadas en forma experimental. Para un par dado de átomos, como carbono y nitrógeno, los enlaces triples son más cortos que los dobles, que a su vez son más cortos que los enlaces sencillos. Además, los enlaces múltiples más cortos son más estables que los enlaces sencillos.

Comparación de las propiedades de los compuestos

covalentes y los compuestos iónicos

Los compuestos iónicos y covalentes exhiben marcadas diferencias en sus propiedades físicas generales debido a que sus enlaces son de distinta naturaleza. En los compuestos covalentes existen dos tipos de fuerzas de atracción. Una de ellas es la que mantiene unidos a los átomos de una molécula. Una medida cuantitativa de esta atracción es la entalpía de enlace, que estudiaremos en la sección 9.10. La otra fuerza de atracción opera entre las moléculas y se llama fuerza intermolecular.                                    Como las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que las fuerzas

que mantienen unidos a los átomos de una molécula, las moléculas de un compuesto covalente se unen con menos fuerza. En consecuencia, los compuestos covalentes casi siempre son gases, líquidos o sólidos de bajo punto de fusión. Por otro lado, las fuerzas electrostáticas que mantienen unidos a los iones en un compuesto iónico, por lo común son muy fuertes, de modo que los compuestos iónicos son sólidos a temperatura ambiente y tienen puntos de fusión elevados. Muchos compuestos iónicos son solubles en agua, y sus disoluciones acuosas

conducen la electricidad debido a que estos compuestos son electrólitos fuertes. La mayoría de los compuestos covalentes son insolubles en agua, o si se llegan a disolver, sus disoluciones acuosas por lo general no conducen electricidad porque estoscompuestos son no electrólitos. Los compuestos iónicos fundidos conducen electricidad porque contienen cationes y aniones que se mueven libremente; los compuestos covalentes líquidos o fundidos no conducen electricidad porque no hay iones presentes. En la tabla 9.3 se comparan algunas propiedades generales de un compuesto iónico común, el cloruro de sodio, con las de un compuesto covalente,

el tetracloruro de carbono (CCl4).