Solo cuatro elementos simples componen más del 96% de
tu cuerpo: oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno. La vida sin estos elementos sería completamente diferente. Se encuentran en todo tipo de sustancias esenciales: desde moléculas simples hasta cadenas ramificadas y polímeros enmarañados.
Por ejemplo, el carbono es la base de la mayoría de las moléculas orgánicas, mientras que el oxígeno y el hidrógeno se combinan para formar el agua, y el nitrógeno es una parte fundamental de todas nuestras proteínas.
Los científicos han propuesto formas de vida basadas en otras moléculas (por ejemplo, la vida basada en el amoníaco); pero, incluso estas requerirían algunos de los elementos mencionados. Por eso, entre otras razones, es justo decir que la vida gira en torno a estos cuatro elementos.
Sin embargo, nunca se encuentran como átomos individuales. En cambio, el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno (junto con muchos otros elementos de la tabla periódica) se unen en las conocidas estructuras complejas, que conforman gran parte del mundo que nos rodea, mediante enlaces covalentes.
- Este artículo trata de los enlaces covalentes.
- Definiremos los enlaces covalentes antes de ver cómo se representan en diagramas de puntos y cruces.
- A continuación, exploraremos los tipos de enlaces covalentes —incluyendo los enlaces dativos, los dobles y triples, y los enlaces sigma y pi—. Esto implicará una introducción a los orbitales y a la hibridación.
- Para terminar, aprenderemos las propiedades de los enlaces covalentes y su relación con las estructuras covalentes.
- A lo largo de este artículo, encontrarás muchos ejemplos de enlaces covalentes que te ayudarán a consolidar tu aprendizaje.
¿Qué son los enlaces covalentes?
En Tipos de enlaces aprendimos que a los átomos les gusta estar en el estado de menor energía posible. Es cuando son más estables. Para la mayoría de los átomos, esto implica tener una capa externa completa de electrones o, para ser más precisos, ocho electrones de valencia. Los átomos, en general, pueden conseguir una capa externa completa de electrones; pero, a los no metales les resulta más fácil alcanzar esta estabilidad compartiendo electrones entre ellos. Esto se conoce como enlace covalente.
Un enlace covalente es un par de electrones compartido.
Los enlaces covalentes se forman entre dos no metales mediante el solapamiento de algunos de sus electrones de la capa externa. El resultado suele ser que los átomos tienen las capas externas llenas. Esto les da la configuración electrónica de un gas noble, que es una disposición de electrones más estable. Los átomos se mantienen unidos por una fuerte atracción electrostática entre los núcleos positivos y el par de electrones compartido, que también se conoce como par enlazante.
En cambio, los pares de electrones que no participan en el enlace covalente se conocen como pares solitarios, pares libres o pares no enlazantes.
Un punto importante que hay que tener en cuenta es que los átomos implicados no forman iones. Recordarás que un ion es un átomo que ha ganado o perdido electrones para formar una partícula cargada. Las moléculas covalentes comparten sus electrones en lugar de perderlos, por lo que siguen siendo partículas neutras.
Sin embargo, algunos metales rompen la tendencia: también son capaces de unirse covalentemente. Por ejemplo, el berilio puede unirse al cloro con enlaces covalentes para formar cloruro de berilio, BeCl2.
Diagramas de enlaces covalentes
Hay dos formas de representar los enlaces covalentes:
- Para una visión más detallada del enlace, utilizamos los diagramas de puntos y cruces.
- Para una representación más sencilla, utilizamos las fórmulas desarrolladas.
Diagramas de puntos y cruces
Podemos representar los enlaces covalentes mediante diagramas de puntos y cruces. Estos, tienen algunas características importantes:
- Los diagramas de puntos y cruces muestran la capa externa de cada átomo y los electrones que contiene.
- Los electrones de un átomo se muestran con puntos y los del segundo con cruces. Si tenemos más átomos, podemos optar por utilizar otros símbolos —como triángulos o estrellas— para evitar confusiones.
- Los electrones se suelen dibujar por pares igualmente espaciados alrededor del átomo.
- Los enlaces covalentes se muestran superponiendo las capas de electrones de dos átomos y dibujando un par de electrones dentro de la superposición.
Vamos a trabajar juntos en un ejemplo:
Dibuja un diagrama de puntos y cruces para una molécula de cloro, Cl2.
Solución:
Un átomo de cloro tiene siete electrones en su capa externa. Para conseguir una capa externa completa de electrones, necesita ganar un electrón. Dos átomos de cloro pueden hacerlo juntándose y compartiendo cada uno de sus electrones mediante el solapamiento de sus orbitales atómicos. Esto forma un enlace covalente. Como cada átomo de cloro tiene ahora un electrón extra en su capa externa, ambos átomos tienen una configuración electrónica de gas noble y son más estables.
Para dibujar esto en un diagrama de puntos y cruces, mostramos las capas externas de electrones de los átomos de cloro como círculos. Como los átomos están unidos covalentemente, solapamos los círculos ligeramente. Cada átomo de cloro tiene siete electrones propios. dibujamos seis de ellos como tres pares solitarios alrededor del borde de cada círculo. El electrón restante de cada átomo forma parte del par de enlace y, por eso, se dibuja en el solapamiento entre los círculos. Esto muestra un par de electrones compartido: un enlace covalente.
- Algunos elementos pueden formar moléculas estables con más de ocho electrones en su capa externa. Un ejemplo es el xenón, que suele tener 10 electrones de valencia. Esto se conoce como un octeto expandido.
- Por el contrario, otros elementos son estables con menos de ocho electrones en su capa externa. Un ejemplo es el hidrógeno, al que le gusta tener solo dos electrones de valencia.
Fórmulas desarrolladas
Los diagramas de puntos y cruces pueden ser bastante largos de dibujar para las moléculas más grandes. Pero, podemos mostrar el enlace covalente mucho más fácil dibujando, simplemente, el símbolo químico de cada átomo y mostrando los enlaces covalentes entre ellos, mediante líneas rectas. Los pares libres de electrones suelen omitirse; pero pueden incluirse, si son especialmente relevantes para la especie. Este estilo de representar las moléculas se conoce como fórmulas desarrolladas.
Dibuja la fórmula desarrollada de una molécula de cloro, Cl2.
Solución:
Ya conocemos el enlace covalente de una molécula de cloro. Para mostrarlo utilizando fórmulas desarrolladas, simplemente representamos los dos átomos utilizando sus símbolos químicos y dibujamos el enlace entre ellos con una línea recta. Los pares de electrones solitarios no son tan importantes aquí, por lo que los omitimos:
Consulta Compuestos orgánicos, para saber más sobre los diferentes tipos de fórmulas que se utilizan en química.
Tipos de enlaces covalentes y ejemplos de enlaces covalentes
Los enlaces covalentes tienen todos algo en común: un par de electrones compartido. Pero, dentro del campo de los enlaces covalentes, hay algunos tipos diferentes de enlaces. Entre ellos se encuentran:
- Enlaces simples, dobles y triples.
- Enlaces sigma y pi.
- Enlaces polar y apolar.
- Enlace covalente dativo.
Vamos a analizarlos ahora.
Enlaces simples, dobles y triples
Algunos átomos solo necesitan un par de electrones compartidos para completar su capa externa.
Un ejemplo es la molécula de cloro, Cl2, que hemos visto antes. Los átomos de cloro tienen siete electrones de valencia; pero, si dos átomos de cloro comparten un electrón entre sí, ambos tendrán ocho y completarán sus capas externas.
Sin embargo, algunos átomos necesitan más de un par de electrones compartidos para completar su capa externa. Para ello, pueden formar múltiples enlaces simples con diferentes átomos, o un enlace doble o triple con el mismo átomo:
- En un enlace covalente simple, dos átomos comparten un par de electrones. Un electrón procede de cada átomo.
- En un enlace covalente doble, dos átomos comparten dos pares de electrones. Dos electrones proceden de cada átomo; en total, hay cuatro electrones compartidos.
- En un enlace covalente triple, dos átomos comparten tres pares de electrones. Tres electrones proceden de cada átomo; en total hay seis electrones compartidos.
Para mostrar los enlaces dobles y triples en los diagramas de puntos y cruces, basta con aumentar el número de electrones que se encuentran dentro de las capas de electrones superpuestas. Por ejemplo, un enlace doble contiene dos puntos y dos cruces, lo que hace un total de cuatro electrones. Para mostrar los enlaces dobles y triples en las fórmulas desarrolladas, basta con dibujar una línea doble o triple respectivamente.
Veamos:
El oxígeno (O2) contiene un doble enlace, mientras que el nitrógeno (N2) contiene un triple enlace. Muestra estas moléculas utilizando tanto los diagramas de puntos y cruces como las fórmulas desarrolladas.
Solución:
El oxígeno tiene seis electrones de valencia. Puede alcanzar una capa externa completa compartiendo dos pares de electrones con otro átomo de oxígeno y formando un doble enlace covalente:
El nitrógeno, en cambio, tiene cinco electrones de valencia. Puede alcanzar una capa externa completa compartiendo tres pares de electrones con otro átomo de nitrógeno y formando un triple enlace covalente:
Los enlaces simples, dobles y triples también varían en longitud y energía:
Enlaces sigma y pi
¿Te acuerdas de que dijimos que los enlaces covalentes implican una superposición de orbitales atómicos? Pues bien, los orbitales pueden solaparse de diferentes maneras, y esto crea dos formas más de clasificar los enlaces covalentes:
- Los enlaces sigma se forman por el solapamiento de extremo a extremo de orbitales s o de orbitales sp hibridizados. Todos los enlaces covalentes simples son enlaces sigma.
- Los enlaces Pi se forman por el solapamiento lateral de los orbitales p. El segundo y tercer enlace en los enlaces dobles y triples son enlaces pi.
Puedes informarte sobre los orbitales y la hibridación en el artículo del mismo nombre: Orbitales e hibridación.
Los enlaces pi son mucho más débiles que los sigma. Sin embargo, como un enlace doble contiene un enlace sigma y un enlace pi, es en general mucho más fuerte que un enlace sigma solo. Del mismo modo, como los triples enlaces contienen un enlace sigma y dos enlaces pi, son aún más fuertes.
Enlace covalente apolar y enlace covalente polar
Los enlaces covalentes pueden ser apolares o polares, dependiendo de la distribución de los electrones en el enlace.
Un enlace covalente apolar significa que los electrones enlazantes que se comparten entre dos átomos están a la misma distancia; es decir, las cargas están distribuidas homogéneamente.
Hay átomos que son electronegativos, lo cual significa que son capaces de atraer a los electrones de un enlace covalente hacía su núcleo. Al atraerlos, la densidad electrónica forma un dipolo en el que una parte de la molécula adquiere una carga parcial negativa y la otra parte adquiere una carga parcial positiva. De modo que, este tipo de enlace se puede considerar un híbrido entre un enlace covalente (apolar) y un enlace iónico.
En un enlace covalente polar hay diferencia de electronegatividad entre los átomos, por lo que la distribución de las cargas dentro del enlace es heterogénea.
Enlace covalente dativo
Por último, consideremos los enlaces covalentes dativos y veqmos su definición:
En nuestro ejemplo del Cl2, dos átomos se unieron y formaron un enlace covalente al compartir un electrón cada uno. Pero, a veces, ambos electrones del par enlazado pueden proceder del mismo átomo. Esto se conoce como enlace covalente dativo.
Un enlace covalente dativo es un tipo de enlace covalente en el que ambos electrones del par compartido proceden del mismo átomo. También se conoce como enlace de coordinación.
Para formar un enlace dativo, se necesita una especie con un par libre de electrones y una especie con un orbital electrónico vacío. La especie con el par libre de electrones ofrece sus dos electrones para formar el par enlazado, mientras que la especie con el orbital vacío no comparte ninguno de sus electrones.
Ejemplos de enlace dativo
Puedes identificar los enlaces covalentes dativos en los diagramas de puntos y cruces, ya que ambos electrones proceden del mismo átomo: en lugar de un punto y una cruz, verás dos puntos o dos cruces. En las fórmulas desarrolladas mostramos estos enlaces con una flecha dibujada desde la especie donante hacia la especie receptora. Sin embargo, los enlaces dativos son exactamente iguales a los enlaces covalentes normales en todos los demás aspectos: tienen la misma longitud y las mismas propiedades.
El ion amonio, NH4+, contiene un enlace covalente dativo. Demuéstralo mediante un diagrama de puntos y cruces y una fórmula desarrollada.
Solución:
El nitrógeno tiene cinco electrones de valencia, al estar en el grupo 5. Necesita formar tres enlaces covalentes para conseguir una capa externa completa; lo hace formando tres enlaces simples con tres átomos de hidrógeno diferentes. Esto deja al nitrógeno con un par de electrones libres. Los utiliza para unirse a un ion hidrógeno, H+, que tiene un orbital electrónico vacío. Esto forma un enlace covalente dativo. En este caso, el nitrógeno aporta los dos electrones del par de enlace:
Propiedades del enlace covalente
Los enlaces covalentes son muy fuertes. Se mantienen unidos por una fuerte atracción electrostática entre el par de electrones compartido y los dos núcleos atómicos, que requiere mucha energía para superarla. Pero, las diferentes especies covalentes contienen diferentes números y disposiciones de enlaces covalentes, y esto cambia sus propiedades.
Por ejemplo, los dos elementos más abundantes en la corteza de la tierra son el oxígeno y el silicio. A pesar de que ambos contienen enlaces covalentes, en su forma elemental, están estructurados de manera muy diferente. Mientras que los átomos de oxígeno circulan por parejas como simples moléculas covalentes, los átomos de silicio forman enormes estructuras cristalinas de tamaño indeterminado, conocidas como macromoléculas covalentes gigantes.
Sus estructuras contrastadas les confieren a ambos propiedades diferentes:
- Las moléculas covalentes simples están formadas por un pequeño número de átomos unidos covalentemente. Aunque los enlaces covalentes en sí son fuertes, las fuerzas entre las moléculas individuales son débiles y no requieren mucha energía para superarlas. Esto hace que las moléculas covalentes simples tengan puntos de fusión y ebullición bajos.
- Las macromoléculas covalentes, también conocidas como estructuras covalentes gigantes, son entramados enormes, formados por muchos átomos unidos por múltiples enlaces covalentes en todas las direcciones. Tienen puntos de fusión y ebullición altos, ya que todos sus enlaces covalentes son extremadamente fuertes y requieren mucha energía para superarlos. Por esta misma razón, son duros y fuertes.
Enlace covalente y dativo - Puntos Claves
- Un enlace covalente es un par de electrones compartido. Suele formarse entre dos no metales y hace que ambos átomos tengan las capas externas llenas. Se forma debido al solapamiento de los orbitales de los electrones.
- Podemos representar los enlaces covalentes mediante diagramas de puntos y cruces (que muestran la capa externa de electrones) o con fórmulas desarrolladas.
- Los átomos pueden formar enlaces simples, dobles o triples. Los enlaces simples son los más largos, mientras que los triples son los más energéticos.
- Los enlaces sigma se producen por el solapamiento de extremo a extremo de los orbitales s o sp hibridados, mientras que los enlaces pi se producen por el solapamiento lateral de los orbitales p.
- Un enlace covalente dativo es un tipo de enlace covalente en el que una especie aporta los dos electrones compartidos. Se produce entre una especie con un par de electrones solitarios y una especie con un orbital vacante.
- Los átomos con enlaces covalentes pueden formar moléculas covalentes simples o macromoléculas covalentes gigantes. Tienen diferentes propiedades, debido a su número y disposición de los enlaces covalentes.
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