Estructura de loscristales. Fuerzasinteratómicasen los cristales
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Loscristales están formados por átomos, iones y/omoléculas que se empaquetan conjuntamente de un modoordenado yperiódico. Este hecho es la evidencia de la presencia dedeterminadas fuerzasque mantienen los átomos unidos y que se clasifican en dosgrandes grupos, el enlacecovalente, que fundamentalmente mantiene átomosunidos en forma de moléculas, y el no-covalente,quiena su vez se clasifica en otros muchas tipologías.
EnlacecovalenteEntre todas lasfuerzas que mantienen los átomos unidos, lasde mayor fortaleza están representadas por el enlacecovalente,en donde los átomos implicados comparten sus electronesmás externos para formar el enlace, siendo muy dificilseparar los átomos unidos porun enlace de este tipo. Uno de los mejores ejemplos de fortaleza dedichoenlace es la estructura del diamante, en la cual, cada átomodecarbono está unido a otros cuatro vecinos (ver figuras deabajo).
El enlacecovalente simple entre dos átomos de carbono en laestructuradel diamante, formado por la compartición de 2 electrones desuscapas más externas. Enla estructura del diamante cada átomo de carbono comparteelectrones con cuatro de sus átomos vecinos, formando cuatroenlaces covalentes simples. Esta estructura es como unarmazóngigante de enlaces covalentes que se propagan en las tres dimensionesdel espacio.
Enlos compuestos moleculares, orgánicos ybiológicos, losátomos están unidos fuertemente através deenlcaes covalentes
Este tipo de interacción incluye:
Enlaceno-covalente
El enlaceno-covalenteno es tan fuerte como el covalente, pero el efecto aditivo de variosenlaces no-covalentes puede llegar a estabilizar unamolécula oun conjunto de átomos. En contraste con los enlacescovalentes,los no-covalentes no comparten electrones.
- Enlacemetálico
- Enlace iónico
- Fuerzas de van der Waals
- Interacciones hidrofóbicas
- Enlace de hidrógeno
Excluyendo el enlacemetálico, las interacciones no-covalentes son el tipo deinteracciones dominantes entre los átomos ymoléculas, yson determinantes para mantener no sólo la forma de lasmoléculas orgánicas y de lasmacromoléculas(proteínas y ácidos nucleicos), sinosuscorrespondientes estructuras cristalinas. El enlace metálico es algo más débilque el iónico o el covalente.
Enlace metálico
El enlacemetálicopuede describirse como una interacción colectiva de unfluido deelectrones móviles con iones metálicos (verfigura de laderecha). Este tipo de enlace ocurre en la estructura de los metales,es decir, allí donde los electrones de valenciasólorepresentan una fracción muy pequeña delnúmerodecoordinación del átomometálico, y por lotanto no se pueden establecer enlaces covalentes o iónicos.
Enlaces metálicos en la plata
Enlace iónico
El denominado enlaceiónicoestá constituido por fuerzas de atracción, decarácter electrostático y muy potentes, entreionespositivos y negativos. El vínculo que genera este tipo deenlace no es direccional, lo que significa que la atracciónelectrónica no favorece a un átomo másque a otro.Los sólidos iónicos pueden estar compuestos porionessimples, tal como se observa en el NaF (fluoruro sódico,figurade la derecha), o por iones poliatómicos, tal como seobserva enel nitrato amónico, NH4NO3,con ionesNH4+ y NO3-(verfigura de abajo).
Estructura iónica del nitratoamónico
Formación de un enlaceiónico en el fluoruro sódico
Estructura atómica delfluoruro sódico
Fuerzas de van der Waals
Las fuerzasde van der Waals(en parte conocidas como fuerzasLondon) son fuerzas residuales, deatracción o repulsiónentremoléculas ogrupos atómicos, que no se derivan de las de un enlacecovalente, o de la interacción electrostáticaentreiones, o de grupos iónicos entre sí o conmoléculas neutras. Al igual que los enlaces dehidrógeno,las fuerzas de van der Waals se basan en dipolos, es decir, en unadiferencia de carga entre dos átomos o moléculas.Pero adiferencia de los enlaces de hidrógeno, las fuerzas de vanderWaals suelen ser dipolos no permanentes, es decir, transitorios.
Las fuerzas de van der Waals sonrelativamente muy débilesencomparación con los enlaces covalentes, perodesempeñanun papel fundamental en campos tan diversos como la químicasupramolecular, biología estructural, ciencia depolímeros, nanotecnología, ciencia de superficiesyfísica de la materia condensada.Las fuerzas de vanderWaals determinan muchas de las propiedades de los compuestosorgánicos, incluyendo su solubilidad en medios polares y nopolares.
Fuerzas atractivas resultantes de lainteracción entredipolos
InteraccioneshidrofóbicasLa interacciónhidrofóbicadescribe las fuerzas existentes entre el agua y los compuestos llamadoshidrófobos (moléculas con muy baja solubilidad enagua).Los compuestos hidrófobos son moléculas nopolares queusualmente contienen largas cadenas carbonadas que no interaccionan conlas moléculas de agua. La mezcla entre grasasyagua es unbuen ejemplo de esta interacción particular (el agua y lasgrasas no se mezclan) . Un grupo de moléculas no polares seaglutinan entre sípara excluir el agua.Al hacerloasí, minimizan la superficie que exponen frente aldisolventepolar.
Este tipo de interacciones son factores importantes que impulsan elplegamiento de las proteínas, o la inserción delasproteínas de membrana en el entorno no polarde loslípidos. Igualmente contribuyen a la estabilidad de lasasociaciones entre proteínas y pequeñasmoléculas.
Esquema que, como ejemplo,muestraátomosyaminoácidos implicados eninteraccioneshidrófobicas (arcos con pestañas)
Enlace dehidrógeno
El enlacede hidrógeno aparece cuando un átomo dehidrógeno, unido covalentemente a un átomoelectronegativo (p. ej.O, N, S), es compartido con otroátomo, también de carácterelectronegativo. El enlace dehidrógeno(también conocido como puente de hidrógeno) sedescribefrecuentemente como una interacciónelectrostática detipo dipolo-dipolo. Sin embargo, también tiene algunascaracterísticas de unión covalente: esdireccional yfuerte, produce distancias interatómicas máscortas quela suma de los radios de van der Waals de los átomosimplicados,y por lo general implica un número limitado deátomosimplicados en la interacción.
Los enlaces de hidrógeno pueden ocurrir entremoléculas(intermoleculares) o entre diferentes partes de una mismamolécula (intramoleculares). Son más fuertes quelasinteracciones de van der Waals, pero más débilesque losenlaces covalentes o iónicos. Este tipo de enlaces puedeocurrirentre moléculas inorgánicas, tales como agualíquida o sólida, y en moléculasorgánicas.Es muy frecuente en macromoléculas como el ADN y lasproteínas.
Ejemplo de moléculasorgánicas unidas por enlaces de hidrógeno
Los enlaces de hidrógeno que se forman en el agualíquida se forman y deshacen constantemente...
En el agua líquida los enlaces de hidrógeno seestán formando y deshaciendo contínuamente
Enel agua sólida y cristalina, es decir, en la nieve, losenlacesde hidrógeno son permanentes y son los mayores responsablesdela estructura de estos cristales...
Lasmoléculas de agua, unidas por enlaces dehidrógeno,mantienen la estructura tridimensional de los copos de nieve
Pero, volvamosal punto de partida...
