Biología para Mayores I

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Clasificar diferentes tipos de enlaces atómicos

Cuando los átomos se unen, crean elementos. Los diferentes tipos de enlaces (iónicos y covalentes, polares y no polares) tienen un impacto en los elementos que crean. Entender los tipos de enlaces que crean cosas puede ayudarnos a entender esas cosas en sí mismas.

Objetivos de aprendizaje

  • Describir las características de los enlaces iónicos e identificar iones comunes
  • Describir las características de los enlaces covalentes y diferenciar entre enlaces polares y nopolares
  • Modelar un enlace de hidrógeno e identificar sus cualidades únicas

Enlaces iónicos

Algunos átomos son más estables cuando ganan o pierden un electrón (o posiblemente dos) y forman iones. Esto llena su capa de electrones más externa y los hace energéticamente más estables. Como el número de electrones no es igual al número de protones, cada ion tiene una carga neta. Los cationes son iones positivos que se forman perdiendo electrones. Los iones negativos se forman ganando electrones y se llaman aniones. Los aniones se designan por su nombre elemental que se altera para terminar en «-ide»: el anión del cloro se llama cloruro, y el anión del azufre se llama sulfuro, por ejemplo.

Este movimiento de electrones de un elemento a otro se conoce como transferencia de electrones. Como ilustra la figura 1, el sodio (Na) sólo tiene un electrón en su capa electrónica exterior. El sodio necesita menos energía para donar ese electrón que para aceptar siete electrones más para llenar la capa exterior. Si el sodio pierde un electrón, ahora tiene 11 protones, 11 neutrones y sólo 10 electrones, lo que lo deja con una carga total de +1. Ahora se denomina ion sodio. El cloro (Cl) en su estado de energía más bajo (llamado estado básico) tiene siete electrones en su capa exterior. De nuevo, es más eficiente energéticamente para el cloro ganar un electrón que perder siete. Por lo tanto, tiende a ganar un electrón para crear un ion con 17 protones, 17 neutrones y 18 electrones, dándole una carga neta negativa (-1). Ahora se denomina ion cloruro. En este ejemplo, el sodio donará su único electrón para vaciar su capa, y el cloro aceptará ese electrón para llenar su capa. Ambos iones satisfacen ahora la regla del octeto y tienen las envolturas exteriores completas. Como el número de electrones ya no es igual al número de protones, cada uno es ahora un ion y tiene una carga de +1 (catión de sodio) o -1 (anión de cloro). Tenga en cuenta que estas transacciones normalmente sólo pueden tener lugar de forma simultánea: para que un átomo de sodio pierda un electrón, debe estar en presencia de un receptor adecuado, como un átomo de cloro.

Un átomo de sodio y otro de cloro están uno al lado del otro. El átomo de sodio tiene un electrón de valencia, y el átomo de cloro tiene siete. Seis de los electrones del cloro forman pares en los lados superior, inferior y derecho de la capa de valencia. El séptimo electrón se encuentra solo en el lado izquierdo. El átomo de sodio transfiere su electrón de valencia a la capa de valencia del cloro, donde se empareja con el electrón izquierdo no apareado. Una flecha indica que se produce una reacción. Después de la reacción, el sodio se convierte en un catión con una carga de más uno y una capa de valencia vacía, mientras que el cloro se convierte en un anión con una carga de menos uno y una capa de valencia completa que contiene ocho electrones.

Figura 1. En la formación de un compuesto iónico, los metales pierden electrones y los no metales ganan electrones para conseguir un octeto. Los enlaces iónicos se forman entre iones con cargas opuestas. Por ejemplo, los iones de sodio con carga positiva y los iones de cloruro con carga negativa se unen para formar cristales de cloruro de sodio, o sal de mesa, creando una molécula cristalina con carga neta cero.

Los enlaces iónicos se forman entre iones con cargas opuestas. Por ejemplo, los iones de sodio con carga positiva y los iones de cloruro con carga negativa se unen para formar cristales de cloruro de sodio, o sal de mesa, creando una molécula cristalina con carga neta cero.

Ciertas sales se denominan en fisiología electrolitos (incluidos el sodio, el potasio y el calcio), iones necesarios para la conducción del impulso nervioso, las contracciones musculares y el equilibrio del agua. Muchas bebidas deportivas y suplementos dietéticos proporcionan estos iones para reemplazar los que se pierden del cuerpo a través de la sudoración durante el ejercicio.

Revisión de vídeo

Este vídeo muestra cómo se forman los compuestos iónicos a partir de aniones y cationes.

Enlaces covalentes

Otra forma de satisfacer la regla del octeto es compartiendo electrones entre átomos para formar enlaces covalentes. Estos enlaces son mucho más comunes que los iónicos en las moléculas de los organismos vivos. Los enlaces covalentes se encuentran habitualmente en las moléculas orgánicas basadas en el carbono, como nuestro ADN y las proteínas. Los enlaces covalentes también se encuentran en moléculas inorgánicas como el H2O, el CO2 y el O2. Se pueden compartir uno, dos o tres pares de electrones, formando enlaces simples, dobles y triples, respectivamente. Cuantos más enlaces covalentes haya entre dos átomos, más fuerte será su conexión. Así, los enlaces triples son los más fuertes.

La fuerza de los diferentes niveles de enlace covalente es una de las principales razones por las que los organismos vivos tienen dificultades para adquirir nitrógeno para utilizarlo en la construcción de sus moléculas, a pesar de que el nitrógeno molecular, N2, es el gas más abundante en la atmósfera. El nitrógeno molecular está formado por dos átomos de nitrógeno triplemente enlazados entre sí y, como ocurre con todas las moléculas, el hecho de compartir estos tres pares de electrones entre los dos átomos de nitrógeno permite llenar sus envolturas electrónicas externas, lo que hace que la molécula sea más estable que los átomos de nitrógeno individuales. Este fuerte triple enlace dificulta que los sistemas vivos rompan este nitrógeno para utilizarlo como constituyente de las proteínas y el ADN.

La formación de las moléculas de agua proporciona un ejemplo de enlace covalente. Los átomos de hidrógeno y oxígeno que se combinan para formar las moléculas de agua están unidos por enlaces covalentes. El electrón del hidrógeno divide su tiempo entre la capa exterior incompleta de los átomos de hidrógeno y la capa exterior incompleta de los átomos de oxígeno. Para llenar completamente la capa exterior del oxígeno, que tiene seis electrones en su capa exterior pero que sería más estable con ocho, se necesitan dos electrones (uno de cada átomo de hidrógeno): de ahí la conocida fórmula H2O. Los electrones se comparten entre los dos elementos para llenar la capa exterior de cada uno, haciendo que ambos elementos sean más estables.

Vea este breve vídeo para ver una animación del enlace iónico y covalente.

Enlaces covalentes polares

Hay dos tipos de enlaces covalentes: polares y no polares. En un enlace covalente polar, que se muestra en la figura 2, los electrones se reparten de forma desigual entre los átomos y son atraídos más por un núcleo que por el otro. Debido a la distribución desigual de los electrones entre los átomos de los distintos elementos, se desarrolla una carga ligeramente positiva (δ+) o ligeramente negativa (δ-). Esta carga parcial es una propiedad importante del agua y explica muchas de sus características.

El agua es una molécula polar, en la que los átomos de hidrógeno adquieren una carga parcial positiva y los de oxígeno una carga parcial negativa. Esto ocurre porque el núcleo del átomo de oxígeno es más atractivo para los electrones de los átomos de hidrógeno que el núcleo del hidrógeno para los electrones del oxígeno. Por lo tanto, el oxígeno tiene una electronegatividad más alta que el hidrógeno y los electrones compartidos pasan más tiempo cerca del núcleo del oxígeno que cerca del núcleo de los átomos de hidrógeno, dando a los átomos de oxígeno e hidrógeno cargas ligeramente negativas y positivas, respectivamente. Otra forma de decirlo es que la probabilidad de encontrar un electrón compartido cerca de un núcleo de oxígeno es más probable que encontrarlo cerca de un núcleo de hidrógeno. En cualquier caso, la electronegatividad relativa del átomo contribuye al desarrollo de cargas parciales siempre que un elemento sea significativamente más electronegativo que el otro, y las cargas generadas por estos enlaces polares pueden utilizarse entonces para la formación de enlaces de hidrógeno basados en la atracción de cargas parciales opuestas. (Los enlaces de hidrógeno, que se tratan en detalle más adelante, son enlaces débiles entre átomos de hidrógeno ligeramente cargados positivamente con átomos ligeramente cargados negativamente en otras moléculas). Dado que las macromoléculas suelen tener átomos dentro de ellas que difieren en electronegatividad, los enlaces polares suelen estar presentes en las moléculas orgánicas.

Enlaces covalentes no polares

La tabla compara las moléculas de agua, metano y dióxido de carbono. En el agua, el oxígeno tiene una mayor atracción de electrones que el hidrógeno, lo que da lugar a un enlace covalente polar O-H. Del mismo modo, en el dióxido de carbono el oxígeno tiene una mayor atracción de electrones que el carbono y el enlace es covalente polar. Sin embargo, el agua tiene una forma doblada porque dos pares solitarios de electrones empujan a los átomos de hidrógeno entre sí, por lo que la molécula es polar. Por el contrario, el dióxido de carbono tiene dos dobles enlaces que se repelen entre sí, lo que da lugar a una forma lineal. Los enlaces polares del dióxido de carbono se anulan entre sí, dando lugar a una molécula no polar. En el metano, el enlace entre el carbono y el hidrógeno es apolar y la molécula es un tetraedro simétrico con los hidrógenos tan separados como sea posible en la esfera tridimensional. Como el metano es simétrico con enlaces no polares, es una molécula no polar.

Figura 2. Que una molécula sea polar o no polar depende tanto del tipo de enlace como de la forma molecular. Tanto el agua como el dióxido de carbono tienen enlaces covalentes polares, pero el dióxido de carbono es lineal, por lo que las cargas parciales de la molécula se anulan entre sí.

Los enlaces covalentes no polares se forman entre dos átomos del mismo elemento o entre elementos diferentes que comparten electrones por igual. Por ejemplo, el oxígeno molecular (O2) es no polar porque los electrones se distribuyen por igual entre los dos átomos de oxígeno.

Otro ejemplo de enlace covalente no polar es el metano (CH4), también mostrado en la figura 2. El carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa y necesita cuatro más para llenarla. Obtiene estos cuatro de cuatro átomos de hidrógeno, cada uno de los cuales aporta uno, formando una capa exterior estable de ocho electrones. El carbono y el hidrógeno no tienen la misma electronegatividad, pero son similares, por lo que se forman enlaces no polares. Los átomos de hidrógeno necesitan cada uno un electrón para su capa más externa, que se llena cuando contiene dos electrones. Estos elementos comparten los electrones por igual entre los carbonos y los átomos de hidrógeno, creando una molécula covalente no polar.

Mira este vídeo para ver otra explicación de los enlaces covalentes y cómo se forman:

Enlaces de hidrógeno

Los enlaces iónicos y covalentes entre elementos requieren energía para romperse. Los enlaces iónicos no son tan fuertes como los covalentes, lo que determina su comportamiento en los sistemas biológicos. Sin embargo, no todos los enlaces son iónicos o covalentes. También pueden formarse enlaces más débiles entre las moléculas. Dos enlaces débiles que se producen con frecuencia son los enlaces de hidrógeno y las interacciones de van der Waals. Sin estos dos tipos de enlaces, la vida tal y como la conocemos no existiría. Los enlaces de hidrógeno proporcionan muchas de las propiedades críticas y vitales del agua y también estabilizan las estructuras de las proteínas y el ADN, los componentes básicos de las células.

Cuando se forman enlaces covalentes polares que contienen hidrógeno, el hidrógeno de ese enlace tiene una carga ligeramente positiva porque el electrón del hidrógeno es atraído con más fuerza hacia el otro elemento y se aleja del hidrógeno. Como el hidrógeno es ligeramente positivo, será atraído por las cargas negativas vecinas. Cuando esto ocurre, se produce una interacción débil entre la carga δ+ del hidrógeno de una molécula y la carga δ- de los átomos más electronegativos de otra molécula, normalmente oxígeno o nitrógeno, o dentro de la misma molécula. Esta interacción se denomina enlace de hidrógeno. Este tipo de enlace es común y se produce regularmente entre las moléculas de agua. Los enlaces de hidrógeno individuales son débiles y se rompen fácilmente; sin embargo, se producen en gran número en el agua y en los polímeros orgánicos, creando una fuerza importante en la combinación. Los enlaces de hidrógeno también son responsables de unir la doble hélice del ADN.

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