Propiedades del agua
La mayoría de los estudiantes de química aprenden rápidamente a relacionar la estructura de una molécula con sus propiedades generales. Así, generalmente esperamos que las moléculas pequeñas formen gases o líquidos, y que las grandes existan como sólidos en condiciones ordinarias. Y entonces llegamos al H2O, y nos sorprendemos al descubrir que muchas de las predicciones son erróneas, y que el agua (y por implicación, la vida misma) ni siquiera debería existir en nuestro planeta. En esta sección aprenderemos por qué esta diminuta combinación de tres núcleos y diez electrones posee propiedades especiales que la hacen única entre los más de 15 millones de especies químicas que conocemos actualmente.
En el agua, cada núcleo de hidrógeno está unido covalentemente al átomo central de oxígeno por un par de electrones que se comparten entre ellos. En el H2O, sólo dos de los seis electrones de la capa externa del oxígeno se utilizan para este fin, dejando cuatro electrones que se organizan en dos pares no enlazados. Los cuatro pares de electrones que rodean al oxígeno tienden a organizarse lo más lejos posible unos de otros para minimizar las repulsiones entre estas nubes de carga negativa. Esto daría lugar a una geometría tetraédrica en la que el ángulo entre los pares de electrones (y por tanto el ángulo de enlace H-O-H) es de 109,5°. Sin embargo, como los dos pares no enlazantes permanecen más cerca del átomo de oxígeno, éstos ejercen una mayor repulsión contra los dos pares enlazantes covalentes, empujando efectivamente los dos átomos de hidrógeno más cerca. El resultado es una disposición tetraédrica distorsionada en la que el ángulo H-O-H es de 104,5°.
Enlace de hidrógeno
Los enlaces iónicos, como los de la sal de mesa (NaCl), se deben a las fuerzas electrostáticas de atracción entre sus iones con carga positiva (Na+) y negativa (Cl-). En la segunda unidad, comparamos los átomos con los cachorros y los electrones con los huesos en nuestra analogía de cómo funciona el enlace. En el enlace iónico, cada cachorro comienza con un hueso de electrones, pero un cachorro actúa como un ladrón y roba el hueso del otro cachorro (ver Fig. 3-1a). Ahora un cachorro tiene dos huesos de electrones y otro no tiene ninguno. Como los huesos de electrones en nuestra analogía tienen una carga negativa, el cachorro ladrón se carga negativamente debido al hueso adicional. El cachorro que perdió su hueso de electrones se carga positivamente. Como el cachorro que perdió su hueso tiene la carga opuesta al cachorro ladrón, los cachorros se mantienen unidos por fuerzas electrostáticas, ¡como los iones de sodio y cloruro!
En los enlaces covalentes, como el gas cloro (Cl2), ambos átomos comparten y se aferran fuertemente a los electrones del otro. En nuestra analogía, cada cachorro comienza de nuevo con un hueso de electrones. Sin embargo, en lugar de que un cachorro robe el hueso del otro, ambos cachorros se aferran a los dos huesos (véase la Fig. 3-1b).
Estructura del agua
Imagen de AFM de moléculas de diimida naftalenotetracarboxílica sobre silicio con terminación de plata, interactuando a través de enlaces de hidrógeno, tomada a 77 K.[1] (“Los enlaces de hidrógeno” en la imagen superior están exagerados por artefactos de la técnica de imagen.[2][3])
Un enlace de hidrógeno (o enlace H) es una fuerza de atracción principalmente electrostática entre un átomo de hidrógeno (H) que está unido covalentemente a un átomo o grupo más electronegativo, y otro átomo electronegativo que tiene un par de electrones solitario, el aceptor del enlace de hidrógeno (Ac). Un sistema de interacción de este tipo se suele denominar Dn-H—Ac, donde la línea continua indica un enlace covalente polar y la línea punteada indica el enlace de hidrógeno[4] Los átomos donantes y aceptores más frecuentes son los elementos de segunda fila: nitrógeno (N), oxígeno (O) y flúor (F).
Los enlaces de hidrógeno pueden ser intermoleculares (entre moléculas separadas) o intramoleculares (entre partes de la misma molécula)[5][6][7][8] La energía de un enlace de hidrógeno depende de la geometría, del entorno y de la naturaleza de los átomos donantes y aceptores específicos, y puede variar entre 1 y 40 kcal/mol[9], lo que los hace algo más fuertes que una interacción de van der Waals y más débiles que los enlaces totalmente covalentes o iónicos. Este tipo de enlace puede darse en moléculas inorgánicas como el agua y en moléculas orgánicas como el ADN y las proteínas. Los enlaces de hidrógeno son los responsables de mantener unidos materiales como el papel y la lana de fieltro, y de hacer que hojas de papel separadas se peguen entre sí después de mojarse y secarse posteriormente.
Vinculación con el agua
En este explicador, aprenderemos a explicar las propiedades de la molécula polar del agua.El agua es fundamental para la supervivencia de todos los organismos de nuestro planeta. Sin un suministro de agua adecuado y sostenible, la agricultura y la industria no funcionarían. Una sola molécula de agua tiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno.Figura 1: Una molécula de agua (HO2).Hay un enlace covalente entre cada átomo de hidrógeno y el átomo central de oxígeno. Por tanto, la molécula tiene dos enlaces químicos, y el ángulo entre estos enlaces químicos es de 104,5∘. La fórmula molecular del agua es HO2.Cada elemento de la tabla periódica tiene una propiedad conocida como electronegatividad.Definición: ElectronegatividadLa electronegatividad mide la fuerza con la que un átomo atrae un par de electrones (o pares de electrones) de un enlace químico.Consideremos una molécula de agua. El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno. Así, los electrones de los enlaces covalentes están más cerca del átomo de oxígeno y más lejos de los átomos de hidrógeno.Podemos ver este efecto ilustrado en la Figura 2. Las flechas naranjas muestran cómo los electrones que forman cada enlace covalente se acercan al átomo de oxígeno debido a su
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