El enlace qumico

QUIMICA MDICA

2015

FILIAL NORTE

Cmo se combinan los tomos y cules son las fuerzas que los unen?.

Estos interrogantes son fundamentales en el estudio de la qumica, pues los cambios qumicos son esencialmente una alteracin de los enlaces qumicos.

Los tomos, molculas e iones , se unen entre s porque al hacerlo se llega a una situacin de mnima energa, lo que equivale a decir de mxima estabilidad. La estabilidad mxima se produce cuando un tomo es isoelectrnico con un gas noble.

Son los electrones ms externos, los tambin llamados electrones de valencia los responsables de esta unin, al igual que de la estequiometra y geometra de las sustancias qumicas.

2

3Los enlaces qumicos son las fuerzas de atraccin que mantienen unidos a los

tomos en los compuestos.

Un enlace qumico es el proceso fsico responsable de las interacciones atractivas

entre tomos y molculas y que confiere

estabilidad a los compuestos qumicos

diatmicos y poliatmicos.La distancia a la que se colocan los tomos es a la que se desprende mayor energa producindose la mxima

estabilidad.

Los tomos se unen pues, porque as tienen una menor energa y mayor estabilidad que estando separados.

CONCEPTO DE ENLACE

4TIPOS DE FUERZAS ATRACTIVAS

Tipos de enlaces Los enlaces qumicos resultan de interacciones electrostticas y se

los clasifican en tres grandes grupos, enlace inico, enlace covalente y enlace metlico.

1) Enlace inico: resulta de las interacciones electrostticas entre iones de cargas opuestas.

2) Enlace covalente: es el resultado de compartir electrones entre dos tomos.

3) Enlace metlico: cada tomo est unido a varios tomos vecinos por electrones que son relativamente libres de moverse a travs de la estructura tridimensional.

Enlace inico

El enlace inico surge de las interacciones entre iones, que a menudo resulta de la transferencia neta de uno o ms electrones de un tomo o grupo de tomos a otro.

Un enlace inico es la fuerza de la atraccin electrosttica entre iones de carga opuesta.

Estos enlaces pueden ser bastante fuertes pero muchas sustancias inicas se separan fcilmente en agua, produciendo iones libres.

8Enlace inico

9

Cuando los tomos reaccionan por transferencia

electrnica, el nmero de electrones ganados y

perdidos debe coincidir, el compuesto resultante

es neutro.

La formacin de un enlace inico es muy

frecuente cuando un elemento metlico con una

energa de ionizacin baja,(Los metales alcalinos y

alcalinotrreos : grupo IA o IIA) reacciona con un

elemento no metlico, de alta afinidad

electrnica. (halgenos y el oxigeno)

ION: tomo o grupo

de tomos cargados

elctricamente.

Prcticamente, hablaremos de enlaces inicos cuando en un compuesto existan elementos de alta electronegatividad (no metales del extremo derecho superior de la tabla peridica, excluyendo los gases nobles) y otros de baja electronegatividad (en general metales del extremo izquierdo), en otras palabras se trata de elementos cuya diferencia de electronegatividad (EN) es grande, en general, mayor de 1,7.

Formacin de un Cristal

Importancia de los iones en el organismo vivo

Los iones calcio (Ca2+), potasio (K+) y sodio (Na+) estn implicados todos en la produccin y propagacin del impulso nervioso.

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Na+

K+

Impulso

nervioso

En el interior de la neurona existen protenas e iones con carga negativa. Esta diferencia de concentracin de iones produce tambin una diferencia de potencial (unos -70 milivoltios) entre el exterior de la membrana y el interior celular. Esta variacin entre el exterior y el interior se alcanza por el funcionamiento de la bomba de sodio/potasio (Na+/K+)

14

15

La bomba de Na+/K+ gasta

ATP. Expulsa tres iones de

sodio que se encontraban en

el interior de la neurona e

introduce dos iones de

potasio que se encontraban

en el exterior. Los iones sodio

no pueden volver a entrar en

la neurona, debido a que la

membrana es impermeable al

sodio.

Adems, el Ca2+ es necesario para la contraccin de los msculos y para el mantenimiento de un latido cardaco normal.

16

Muchos iones constituyen un porcentaje nfimo del peso vivo, pero desempean papeles centrales.

El ion potasio (K+) es el principal ion con carga positiva en la mayora de los organismos, y en su presencia puede ocurrir la mayora de los procesos biolgicos esenciales.

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Cl (anin)

K+ (catin)

Enlace covalente

Un enlace covalente se forma cuando dos tomos comparten uno o ms pares de electrones.

El enlace covalente ocurre cuando la diferencia de electronegatividad de los tomos intervinientes, (EN) es menor a 1,7; esto ocurre cuando se unen no metales entre s o no metales con hidrgeno.

CLASIFICACIN

Los enlaces covalentes pueden clasificarse en :

I.- Enlace covalente propiamente dicho: 1) Enlace covalente simple 2) Enlace covalente mltiple (doble o triple)

II- Enlace covalente dativo o coordinado

III.- Enlaces covalentes polares y no polares

1) Enlace covalente simple:

El ejemplo ms simple de este tipo de situacin es la combinacin de dos tomos de H para formar una molcula de H2 .

Cada tomo de H necesita un electrn para ser isoelectrnico con el tomo de He, por lo que una transferencia de electrones no puede satisfacer los requerimientos de ambos tomos.

En vez de esto, los dos tomos de hidrgeno comparten mutuamente sus electrones.

El par compartido "pertenece" a ambos; se puede considerar que cada tomo de hidrgeno ha ganado un electrn y ha adquirido la estructura del helio.

21

Los smbolos de Lewis se combinan en estructuras de Lewis,

o estructuras de puntos por electrones.

H HH H

HH

El par de electrones compartidos proporciona a cada tomo de H

dos electrones adquiriendo la configuracin electrnica externa

del gas noble helio.

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Una estructura de Lewis es la

representacin de un enlace covalente,

donde el par electrnico compartido se

indica con lneas o como pares de puntos

entre tomos, y los pares libres, no

compartidos se indican como pares de

puntos alrededor de los tomos

individuales. Solo se muestran los

electrones de valencia

Estructuras de Lewis

23

REGLA DE OCTETO, formulada por Lewis:

Un tomo diferente del hidrogeno tiende a

formar enlaces, ganando, perdiendo o

compartiendo electrones, hasta quedar rodeado

por ocho electrones de valencia.

Un octeto significa tener cuatro pares de

electrones de valencia dispuestos alrededor del

tomo.

La regla del octeto funciona principalmente para

los elementos del segundo periodo de la tabla

peridica. Estos elementos tienen subniveles 2s y

2p que pueden contener un total de ocho

electrones.

REGLA DE OCTETO

24

Ejemplo: molcula de H2O

Estructuras de Lewis

H-O-H HOH

o

25

F F+

7e- 7e-

F F

8e- 8e-

F F

F F

Estructura de Lewis del F2

pares librespares libres

pares librespares libres

enlace covalente sencillo

enlace covalente sencillo

EJEMPLOS

Molculas tipo NO y NO2 que tienen un

nmero impar de electrones.

Molculas tipo BeCl2 o BF3 con

marcado carcter covalente en las

cuales el tomo de Be o de B no llegan

a tener 8 electrones.

Molculas tipo PCl5 o SF6 en las que el

tomo central tiene 5 o 6 enlaces (10 o

12 e ).

Excepciones a la teora de Lewis

2) Enlaces covalentes mltiples Para satisfacer la regla del octeto y sus requerimientos de covalencia, es

frecuente que dos tomos tengan que compartir ms de un par de electrones.

Esto conduce al concepto de enlaces mltiples. Si los pares compartidos son dos, se obtiene un enlace doble; si son tres es un enlace triple.

Por ejemplo:

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8e-

H HO+ + OH H O HHor

2e- 2e-

Estructura de Lewis del agua

Doble enlace: dos tomos comparten dos pares de electrones

enlace covalente sencillo

O C O o O C O

8e- 8e-8e-enlace doble

enlace doble

Triple enlace: dos tomos comparten tres pares de electrones

N N

8e-8e-N N

enlace tripleenlace triple

o

Enlace covalente dativo o coordinado

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Enlaces covalentes coordinados o dativos

Enlace coordinados

Las molculas neutras o iones negativos se denominan ligandos y forman enlaces con el metal a travs de sus pares de electrones libres; estos enlaces son covalentes de tipo dativo (aqullos en los que los dos electrones del enlace provienen de uno slo de los tomos implicados en el enlace). En los compuestos de coordinacin, el metal suele ser un metal de transicin .Ej.de estos compuestos son los quelatos.

Quelatos

Quelato es un trmino muy sencillo que se refiere a la formacin de anillos que incluyen al centro metlico en compuestos de coordinacin.

La quelatacin es la habilidad de un compuesto qumico

para formar una estructura en anillo con un ion metlico

resultando en un compuesto con propiedades qumicas

diferentes a las del metal original. (El quelante impide que el metal siga sus reacciones qumicas normales).

08/04/201532

EDTA

Las tetraciclinas tienen la capacidad de de formar quelatos insolubles en

medio neutro

III.- Enlaces covalentes polares y no polares

Otra manera de clasificar los enlaces covalentes es segn su polaridad.

a) Enlace covalente apolar o no polar

Entre tomos idnticos o diferentes pero de igual electronegatividad EN=0, los electrones se comparten de igual forma por ambos. A este tipo de enlace se lo denomina enlace covalente apolar.

Podemos citar los ejemplos del Hidrgeno (visto en enlace covalente simple) .oxgeno (enlace covalente doble), Nitrgeno (enlace covalente triple) o PH3 ( 3 enlaces simples).

b) Enlace covalente polar

En cambio, si los dos tomos enlazados difieren como en el caso del H:Cl, o son idnticos, pero sus vecinos no lo son, como en el caso de los dos tomos de C en H3C CCl3 , los electrones no se comparten por igual: uno de los tomos (el ms electronegativo) atrae electrones con ms fuerza que el otro.

El tomo que ejerce la mayor atraccin desarrolla una cierta carga negativa; el otro adquiere una cierta carga positiva. Estas cargas son inferiores a la unidad, -1 o +1 y se llaman cargas parciales,

representadas como + y -.

As, dado que el cloro es ms electronegativo que el hidrgeno, el cloruro de hidrgeno se representa:

+ -

..

H Cl :

..

H F

Otro ejemplo:

FH

e- pobre e- rica

+ -

Se forma, entonces, un dipolo (las dos cargas elctricas (+ y -) en

una distancia muy pequea) y la molcula recibe el nombre de

"polar".

GeneralizacinEntre ms grande es la diferencia en electronegatividad

entre dos tomos; ms polar es el enlace.

37

Los enlaces polares conectan

tomos

de diferente electronegatividad

:O C-F

:..

..H -

O..

..H

-

H O:.. ..

-

Ejemplos deenlace covalente polar.

:Cl + x H :Cl x H ; :ClH HCl

O + 2 x H Hx O x H ; HOH H2O

N + 3 x H Hx N x H ; HNH NH3 x |

H H

O + 2 x Cl: :Clx O x Cl: ; :ClOCl: Cl2O

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+

+

+

+

+

39

Covalente

comparte e-

Covalente polar

transferencia parcial

de e-

Inico

transferencia e-

Aumento en la diferencia de electronegatividad

Clasificacin de enlaces por diferencia en electronegatividad

Diferencia Tipo de enlace

0 0,4 Covalente

1,7 Inico

>0,4 y

Electronegatividad

Un elemento electronegativo atrae electrones.

Un elemento electropositivo libera electrones.

40

La electronegatividad es una medida de la

habilidad de un elemento de atraer electrones

cuando esta enlazado a otro elemento.

41

Electronegatividad de los elementos comunes

Aumento de electronegatividad

Covalente

comparte e-

Covalente polar

transferencia parcial de e-

Inico

transferencia e-

Aumento en la diferencia de electronegatividad

0 > 0.4 < 1.7 > Inico

Cov. No-polar Cov. polar

Clasificacin de enlaces

42

Cov. puro

43

44

Clasifique los enlaces siguientes como inico, covalente

polar, o covalente: El enlace en CsCl; el enlace

en H2S y los enlaces en H2NNH2.

Cs 0.7 Cl 3.0 3.0 0.7 = 2.3 Inico

H 2.1 S 2.5 2.5 2.1 = 0.4 Covalente polar

N 3.0 N 3.0 3.0 3.0 = 0 Covalente

ENK= 0,9ENBr= 2,8EN= 1,9

46

COMPUESTOS INICOS

1. Son slidos con punto de fusin

altos (por lo general, > 400C)

2. Muchos son solubles en

disolventes polares, como el

agua..

3. La mayora es insoluble en

disolventes no polares, como el

hexano C6H14.

4. Los compuestos fundidos

conducen bien la electricidad

porque contienen partculas

mviles con carga (iones)

5. Las soluciones acuosas

conducen bien la electricidad

porque contienen partculas

mviles con carga (iones).

COMPUESTOS COVALENTES

1. Son gases, lquidos o slidos

con punto de fusin bajos (por

lo general, < 300C)

2. Muchos de ellos son insolubles

en disolventes polares.

3. La mayora es soluble en

disolventes no polares, como el

hexano C6H14.

4. Los compuestos lquidos o

fundidos no conducen la

electricidad.

5. Las soluciones acuosas suelen

ser malas conductoras de la

electricidad porque no

contienen partculas con carga.

47

48

49

ENLACE METLICO

Las propiedades de los metales: alta conductividad trmica y elctrica, brillo, maleabilidad, ductilidad, son consecuencia del enlace metlico que se da entre sus tomos.

Modelo del Mar de Electrones

En este modelo, el slido metlico se representa como un conjunto de cationes metlicos en un mar de electrones de valencia.Los cationes (formados por el ncleo del tomo y los electrones que no participan del enlace) se encuentran en posiciones fijas, los electrones de valencia se mueven entre ellos deslocalizadamente es decir por todo el cristal metlico, sin pertenecer a ningn tomo en particular (estn distribuidos de manera uniforme en toda la estructura).

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Modelo del Mar de Electrones

Caractersticas del enlace metlico

Se da entre tomos metlicos.

Todos tienden a ceder e .

Los cationes forman una estructura cristalina, y los e ocupan los intersticios que quedan libres en ella sin estar fijados a ningn catin concreto (mar de e ).

Los e estn, pues bastante libres, pero estabilizan la estructura al tener carga contraria a los cationes.

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Propiedades de los compuestos metlicos.

Punto de fusin y ebullicin muy variado (aunque suelen ser ms bien alto)

Insolubles, pero son muy solubles solo en estado fundido en otros metales formando aleaciones.

Muy buenos conductores del calor y la electricidad en estado slido.

Son dctiles y maleables (no frgiles).

Alta densidad.

Insolubles.

Tienen brillo metlico.

52

presin

FUERZAS INTERMOLECULARES Dentro de una molcula, los tomos estn unidos mediante fuerzas intramoleculares (enlaces inicos, metlicos o covalentes, principalmente). Estas son las fuerzas que se deben vencer para que se produzca un cambio qumico. Son estas fuerzas, por tanto, las que determinan las propiedades qumicas de las sustancias.

Sin embargo existen otras fuerzas intermoleculares que actan sobre distintas molculas o iones y que hacen que stos se atraigan o se repelan. Estas fuerzas son las que determinan las propiedades fsicas de las sustancias como, por ejemplo, el estado de agregacin, el punto de fusin y de ebullicin, la solubilidad, la tensin superficial, la densidad, etc. Por lo general son fuerzas dbiles pero, al ser muy numerosas, su contribucin es importante.

FUERZAS ELECTROSTTICAS (IN-IN)

Son las que se establecen entre iones de igual o distinta carga:

Los iones con cargas de signo opuesto se atraen

Los iones con cargas del mismo signo se repelen

La magnitud de la fuerza electrosttica viene definida por la ley de Coulomb y es directamente proporcional a la magnitud de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa

Con frecuencia, este tipo de interaccin recibe el nombre de puente salino.

Son frecuentes entre una enzima y su sustrato, entre los aminocidos de una protena o entre los cidos nucleicos y las protenas (Figuras inferiores).

Los aminocidos cargados de una

protena pueden establecer enlaces

inicos (puentes salinos) dentro de una

protena o entre protenas distintas

Las cargas positivas de la protena (en azul) se disponen en torno a la hlice del DNA cargada negativamente

La unin de una enzima a su sustrato puede estar gobernada por interacciones electrostticas, como en el caso de la Ribulosa-bifosfato-carboxilasa

FUERZAS IN-DIPOLO

Son las que se establecen entre un in y una molcula polar.

Por ejemplo, el NaCl se disuelve en agua por la atraccin que existe entre los iones Na+ y Cl- y los correspondientes polos con carga opuesta de la molcula de agua. Esta solvatacin de los iones es capaz de vencer las fuerzas que los mantienen juntos en el estado slido .

La capa de agua de hidratacin que se forma en torno a ciertas protenas y que resulta tan importante para su funcin tambin se forma gracias a estas interacciones

FUERZAS IN-DIPOLO INDUCIDO

Tienen lugar entre un in y una molcula apolar. La proximidad del in provoca una distorsin en la nube electrnica de la molcula apolar que convierte (de modo transitorio) en una molcula polarizada. En este momento se produce una atraccin entre el in y la molcula polarizada.

Un ejemplo de esta interaccin es la interaccin entre el in Fe++ de la hemoglobina y la molcula de O2, que es apolar.

Esta interaccin es la que permite la unin reversible del O2 a la hemoglobina y el transporte de O2 desde los pulmones hacia los tejidos (ver tabla inferior).

: Fuerzas in - dipolo inducido

Un ion puede alterar la densidad electrnica de un tomo

o una molcula no polar que se encuentra en su cercana.

La distribucin electrnica del tomo se distorsiona por la

atraccin ejercida, si el in es positivo o por la repulsin

ejercida, si el in es negativo, resultando la formacin de

un dipolo inducido

INTERACCIONES HIDROFBICAS

En un medio acuoso, las molculas hidrofbicas tienden a asociarse por el simple hecho de que evitan interaccionar con el agua. Lo hace por razones termodinmicas: las molculas hidrofbicas se asocian para inimizar el nmero de molculas de agua que puedan estar en contacto con las molculas hidrofbicas

En medio acuoso, cada molcula de lpido obliga a las molculas de

agua vecinas a adoptar estados ms ordenados (las que estn

sombreadas de color azul)

Este fenmeno se denomina efecto hidrofbico y es el responsable de que determinados lpidos formen agregados supramoleculares. Son ejemplos de fuerzas hidrofbicas:

las que se establecen entre los fosfolpidos que forman las membranas celulares (forman bicapas)

las que se establecen en el interior de una micela durante

la digestin de los lpidos

las que hacen que los aminocidos hidrofbicos se apien

en el interior de las protenas globulares

FUERZAS DE VAN DER WAALS

Cuando se encuentran a una distancia moderada, las molculas se atraen entre s pero, cuando sus nubes electrnicas empiezan a solaparse, las molculas se repelen con fuerza.

El trmino "fuerzas de van der Waals" engloba colectivamente a las fuerzas de atraccin entre las molculas.

Son fuerzas de atraccin dbiles que se establecen entre molculas elctricamente neutras (tanto polares como no polares), pero son muy numerosas y desempean un papel fundamental en multitud de procesos biolgicos.

Las fuerzas de van der Waals incluyen:

Fuerzas dipolo-dipolo (tambin llamadas fuerzas de Keesom), entre las que se incluyen los puentes de hidrgeno

Fuerzas dipolo-dipolo inducido (tambin llamadas fuerzas de Debye)

Fuerzas dipolo instantneo-dipolo inducido(tambin llamadas fuerzas de dispersin o fuerzas de London)

FUERZAS DIPOLO-DIPOLO

Una molcula es un dipolo cuando existe una distribucin asimtrica de los electrones debido a que la molcula est formada por tomos de distinta electronegatividad. Como consecuencia de ello, los electrones se encuentran preferentemente en las proximidades del tomo ms electronegativo. Se crean as dos regiones (o polos) en la molcula, una con carga parcial negativa y otra con carga parcial positiva

Los enlaces sern tanto ms polares cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los tomos enlazados.

Un ejemplo particularmente interesante de las

interacciones dipolo-dipolo son los puentes de

hidrgeno.

PUENTES DE HIDRGENO Los puentes de hidrgeno constituyen un caso especial de interaccin

dipolo-dipolo .

Se producen cuando un tomo de hidrgeno est unido covalentemente a un elemento que sea: muy electronegativo y con electrones sin compartir

de muy pequeo tamao y capaz, por tanto, de aproximarse al ncleo del hidrgeno

Estas condiciones se cumplen en el

caso de los tomos de F, O y N.

El enlace que forman con el

hidrgeno es muy polar y el tomo

de hidrgeno es un centro de

cargas positivas que ser atrado

hacia los pares de electrones sin

compartir de los tomos

electronegativos de otras

molculas.

Se trata de un enlace dbil (entre 2

y 10 Kcal/mol). Sin embargo, como

son muy abundantes, su

contribucin a la cohesin entre

biomolculas es grande.

Muchas de las propiedades fsicas y qumicas del agua

se deben a los puentes de hidrgeno. Cada molcula

de agua es capaz de dormar 4 puentes de hidrgeno,

lo que explica su elevado punto de abullicin, ya que es

necesario romper gran cantidad de puentes de

hidrgeno para que una molcula de agua pase al

estado gaseoso.

Este enlace es fundamental en bioqumica, ya que:

condiciona en gran medida la estructura espacial de las protenas y

de los cidos nucleicos y

est presente en gran parte de las interacciones que tienen lugar entre

distintos tipos de biomolculas en multitud de procesos

fundamentales para los seres vivos

Enlaces de H en biomolculas

76

Enlaces de H en macromolculas

77

Estructuras terciarias y cuaternarias de las protenas

78

En el plegamiento secundario de las cadenas polipeptdicas(estructura terciaria) y en el ensamblaje de las subunidades (estructura cuaternaria) los puentes hidrgeno tienen un papel determinante.

Estructura cuaternaria de la

hemoglobina en modelo de cintas

EL PUENTE DE HIDRGENO Y LOS ESTADOS DE AGREGACIN

De acuerdo al estado de agregacin las molculas de agua se unen entre s de diferentes formas, en todos los casos mediante uniones puente de hidrgeno

79

80

FUERZAS DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO

Tienen lugar entre una molcula polar y una molcula apolar. En este caso, la carga de una molcula polar provoca una distorsin en la nube electrnica de la molcula apolar y la convierte, de modo transitorio, en un dipolo. En este momento se establece una fuerza de atraccin entre las molculas.

81

Gracias a esta interaccin, gases

apolares como el O2, el N2 o el CO2 se

pueden disolver en agua.

FUERZAS DIPOLO INSTANTNEO-DIPOLO INDUCIDO

Tambin se llaman fuerzas de dispersin o fuerzas de London. En muchos textos, se identifican con las fuerzas de van der Waals, lo que puede generar cierta confusin.

Las fuerzas de dispersin son fuerzas atractivas dbiles que se establecen fundamentalmente entre sustancias no polares, aunque tambin estn presentes en las sustancias polares. Se deben a las irregularidades que se producen en la nube electrnica de los tomos de las molculas por efecto de la proximidad mutua. La formacin de un dipolo instantneo en una molcula origina la formacin de un dipolo inducido en una molcula vecina de manera que se origina una dbil fuerza de atraccin entre las dos

aMolcula apolar

Dipolo instantneo Molcula apolar

Dipolo instantneo Dipolo inducido

Dipolo instantneo Dipolo inducido

Estas fuerzas son mayores

al aumentar el tamao y la

asimetra de las

molculas. Son mnimas en

los gases nobles (He, Ne),

algo mayores en los gases

diatmicos (H2, N2, O2) y

mayores an en los gases

poliatmicos (O3, CO2).