Propiedades de los compuestos covalentes

 

El enlace covalente es un enlace muy fuerte, por tanto es de esperar que, si el enlace se extiende mediante sus átomos a distancias muy grandes, constituya un sólido duro con altos puntos de fusión y de ebullición. Sin embargo, si el enlace está localizado entre unos pocos átomos, constituirá lo que se llaman moléculas que formarán sólidos blandos o líquidos o gases.

Antes de pasar a describir las propiedades de estas sustancias es preciso indicar que no se da en ellas la homogeneidad previsible. Esto es debido a que existen dos formas de presentarse estos compuestos: como moléculas y como redes.

Las sustancias moleculares son aquéllas en las que los átomos están asociados formando moléculas que a temperatura ambiente pueden ser gases (O2, H2, N2, NH3, HCl, SO2, NO, etc.), líquidas (H2O, Br2, CH3-CH2OH, CH3-COOH, etileno o sólidas (I2, naftaleno, glucosa, etc.).

 

Las redes covalentes (o sólidos covalentes) son sustancias de tipo macromolecular, es decir, formadas por un número muy elevado de átomos iguales o distintos, unidos entre sí. Se trata de cristales cuyos átomos se enlazan covalentemente.

En general, están formadas a partir de carbono o de silicio. El primero se presenta en forma de diamante (átomos de carbono unidos en las tres direcciones del espacio con geometría sp3), o grafito (átomos de carbono con geometría sp2 formando hexágonos unidos en dos direcciones formando láminas), mientras que el segundo lo hace como sílice (SiO2) que forma minerales como cuarzo, ópalo, etc., e incluso la arena de las playas. Su estructura es tetraédrica con el silicio como átomo central.

Como consecuencia se hará preciso diferenciar las propiedades según a qué tipo de compuestos se refieran.

 

Sustancias covalentes moleculares

 

Las sustancias covalentes moleculares suelen presentarse como vimos anteriormente en estado líquido o gas, aunque también pueden ser sólidos. Esto es debido a que las fuerzas intermoleculares (que estudiaremos a continuación) suelen ser débiles en estos casos: por ello también, sus puntos de fusión y ebullición no son elevados.

La solubilidad de estos compuestos es elevada en disolventes apolares, y nula capacidad conductora.

Es preciso indicar que en el caso de moléculas polares, cuanto mayor es la polaridad, mayores serán sus puntos de fusión y ebullición, asi como su solubilidad en disolventes polares y la conductividad eléctrica que presenten,

Las sustancias que son gaseosas a temperatura ambiente, están formados por especies discretas, que son generalmente moléculas formadas por pocos átomos, o en el caso de los gases nobles, átomos aislados.

Los gases formados por un solo elemento, son los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón) el hidrógeno, el flúor, el cloro, el oxígeno y el nitrógeno.

 

Los gases nobles se encuentran formados por átomos aislados porque no requieren compartir electrones entre dos o más átomos, ya que tienen en su capa de valencia ocho electrones, lo que les da su gran estabilidad e inercia.

 

Los otros elementos gaseosos en cambio, se encuentran siempre formando moléculas diatómicas. Veamos por qué.

 

Cada átomo de flúor tiene siete electrones en su capa de valencia, le falta sólo uno para lograr completar los ocho, que según la Regla del Octeto, le dan estabilidad.

 

Si cada átomo de flúor comparte su electrón impar con otro átomo de flúor, ambos tendrán ocho electrones a su alrededor y se habrá formado un enlace covalente con esos dos electrones que se comparten entre ambos átomos

 

 

Esta idea de la formación de un enlace mediante la compartición de un par de electrones fue propuesta por Lewis, y sigue siendo un concepto fundamental en la comprensión del enlace químico.

 

Podemos aplicar el modelo de Lewis para explicar la formación de la molécula de Oxígeno

 

 

 

Para que cada uno de los dos átomos de oxígeno complete un octeto de electrones, es necesario que compartan entre ellos DOS pares electrónicos. A esta situación se le conoce como DOBLE ENLACE.

 

De manera análoga, la formación de la molécula diatómica de nitrógeno mediante el modelo de Lewis, lleva a plantear un TRIPLE ENLACE entre los átomos de N, para que ambos completen el octeto.

 

 

El hidrógeno elemental también está constituido por moléculas diatómicas, pero debido a que están formadas por átomos con un solo electrón, es imposible que cumpla con la regla del octeto, el hidrógeno sólo tiende a tener DOS electrones alrededor.

 

 

Otros ejemplos de sustancias gaseosas, pero formados por dos elementos son; los óxidos de carbono, los óxidos de nitrógeno y los halogenuros de hidrógeno.

 

A continuación se ve la representación de Lewis para estos últimos; X puede ser F, Cl, Br ó I, todos ellos tienen siete electrones en su capa de valencia:

 

 

 

Otros ejemplos de compuestos gaseosos formados por moléculas con más de dos átomos, son: los dióxidos de carbono, nitrógeno y azufre, (CO2, NO2, SO2). El amoniaco (NH3), el metano (CH4),  y el sulfuro de hidrógeno (H2S).

 

El fenol es un sólido cristalino que se funde a 43°C. Arriba de este valor de temperatura, se convierte el líquido, pero sigue siendo fenol. Esto puede interpretarse como que las entidades que constituyen al fenol se separan entre sí, al aplicarles calor, pero siguen conservando su identidad, siguen siendo entidades de fenol: Esto quiere decir que los átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno que constituyen el fenol, están unidos entre sí de una manera muy selectiva. Al subir la temperatura por encima de 43°C, los átomos que forman cada una de las entidades de fenol, siguen unidos, aunque las entidades completas de fenol se separen.  A esto se le llama interacciones de direccionalidad selectiva, y en este caso las entidades reciben el nombre de moléculas.  En la Figura se ve la red cristalina del fenol, así como dos representaciones de la molécula de fenol.

Molécula de fenol y su estructura cristalina.

 

 

Ahora bien, en los compuestos que son líquidos o gases a temperatura ambiente, las interacciones también son de dirección selectiva. Están constituidos asimismo por moléculas, pero la interacción entre una molécula y las otras es más débil aún que en los sólidos de punto de fusión bajo.

 

 Si una sustancia es un gas, un líquido o un sólido con baja temperatura de fusión, será razonable suponer que está formado por moléculas.

 

Con el análisis del estado de agregación de los compuestos y de su facilidad relativa para cambiar de estado, podemos tener idea de si en el material hay presentes enlaces de dirección selectiva o enlaces multidireccionales. Vemos entonces que los estados de agregación permiten acercarnos a una interpretación del enlace presente en las sustancias.

 

 

Sólidos covalentes macromoleculares

 

En relación con los sólidos covalentes macromoleculares y debido a que las redes que los forman son extremadamente rígidas observamos que tienen altos puntos de fusión y ebullición, son duros, malos conductores y en general insolubles. Como ya hemos dicho, si tenemos una sustancia sólida con un muy elevado punto de fusión, podemos suponer, sin temor a equivocarnos, que está formado por entidades que forman redes tridimensionales, con enlaces multidireccionales.

 

Para saber si estas entidades son iones o no, debemos conocer su conductividad. Si esta sustancia no conduce en estado sólido, no es un metal.

 

Si esta sustancia no conduce al fundirse, no es un compuesto iónico.

Se trata entonces de una red covalente, en la cual los átomos vecinos comparten electrones, pero éstos se encuentran restringidos entre pares de átomos, sin poder moverse libremente en todo el material como en el caso de los metales.

 

El ejemplo más clásico de este tipo de materiales es el diamante, en el cual cada átomo de carbono se encuentra unido a otros cuatro, en un arreglo tetraédrico. (Figura). Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia, de modo que si sus cuatro vecinos comparten un electrón con él, todos completarán el octeto.

 

 

Otros ejemplos de redes covalentes son el nitruro de boro (BN)x, el cuarzo (SiO2) y el carburo de silicio (SiC)x, todos ellos formados por no metales con valores de electronegatividad parecidos. 

 

El carbono elemental existe, además de en forma de diamante, en otras formas que corresponden a diferentes arreglos entre sus átomos: Grafito, carbón amorfo y los recientemente descubiertos fullerenos.

 

En el grafito, cuyo punto de fusión es semejante al del diamante, los átomos de carbono se encuentran dispuestos en capas de anillos hexagonales interconectados como se muestra en la Figura 5. En este caso, cada átomo de carbono se encuentra unido a otros tres con una distancia corta de 1.42 A°, mientras que la distancia entre las capas es de 3.41°. Esta estructura de capas es la que hace que el grafito, del que está hecha la punta de los lápices, se deposite fácilmente sobre el papel, o sobre nuestros dedos, ya que las capas se deslizan fácilmente una sobre la otra.

                                      

 

 

Figura Estructura del grafito

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En el carbón común, el que se utiliza como combustible, los átomos de carbono se encuentran formando pequeños trozos de capas semejantes a las del grafito, que no se acomodan en el espacio de manera tan ordenada, por lo que se le llama amorfo.

 

Y en 1985, se descubrió una nueva forma de carbono, que existe en forma de moléculas discretas, de sesenta átomos cada una, C60. Figura 6

 

 

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Figura una molécula de C60

 

En las moléculas de C60, los sesenta átomos de carbono se acomodan en pentágonos y hexágonos que unidos generan una figura exactamente igual a un balón de fútbol. En este material, las esferas de C60 se empacan como se muestra en la Figura 7, pero debido a que está compuesto por moléculas discretas, no tiene un punto de fusión tan elevado como el del diamante o el grafito, sino que al llegar a aproximadamente 500°C, el material sublima, es decir, pasa de la fase sólida a la gaseosa, conservándose en ésta la integridad de las moléculas de C60.

 

 

 

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Figura. Empaquetamiento cristalino de moléculas de C60