Enlace covalente

El enlace triple del N₂ mide 110 pm; el enlace sencillo del etano, 154 pm. Más pares compartidos acercan más los átomos.

Cuando se encuentran dos átomos no metálicos, ninguno está dispuesto a ceder del todo sus electrones. Los dos atraen con fuerza, así que en vez de transferirlos los comparten. Cada átomo aporta un electrón a un par que queda entre los dos núcleos, y ambos núcleos son atraídos por ese par. El par compartido es el enlace covalente. Así se mantiene unida casi toda sustancia de un ser vivo, desde el agua hasta el ADN.

Contar pares compartidos

Toma el metano, CH₄. El carbono tiene 4 electrones externos y necesita 4 más. Cada hidrógeno tiene 1 y necesita 1 más. El carbono comparte un par con cada uno de los cuatro hidrógenos. Ahora el carbono cuenta 8 electrones a su alrededor y cada hidrógeno cuenta 2. Todos tienen la capa completa, y la molécula tiene cuatro enlaces sencillos. El número de enlaces que suele formar un átomo se llama valencia: hidrógeno 1, oxígeno 2, nitrógeno 3, carbono 4. Con esos cuatro números puedes construir a mano la mayoría de las moléculas pequeñas.

En cualquier molécula pequeña puedes comprobar una estructura contando electrones. Suma los electrones externos de todos los átomos: el agua tiene 1 + 1 + 6 = 8. Cada enlace usa 2, y lo que sobra queda en pares solitarios. El agua tiene dos enlaces O-H, que usan 4 electrones, y quedan 4 electrones como dos pares solitarios en el oxígeno. Así el oxígeno cuenta 8 a su alrededor y cada hidrógeno cuenta 2. El amoníaco funciona igual: 5 + 3 = 8 electrones, tres enlaces N-H y un par solitario. Resulta que estos pares solitarios deciden la forma de las moléculas de la siguiente unidad.

Enlaces dobles y triples

A veces un par compartido no basta. En una molécula de oxígeno, O₂, cada átomo tiene 6 electrones externos y necesita 2 más, así que los dos átomos comparten dos pares: un enlace doble, O=O. En el nitrógeno, N₂, cada átomo necesita 3, y comparten tres pares: un enlace triple, N≡N. El modelo dibuja cada par compartido como una barra aparte, para que puedas contarlos. El carbono puede hacer los tres. El etano, C₂H₆, tiene un enlace sencillo C-C; el eteno, C₂H₄, un doble enlace C=C, y el etino (acetileno), C₂H₂, un triple enlace C≡C.

Cuantos más pares compartidos, más cerca y con más fuerza se sujetan los átomos. Las distancias carbono-carbono medidas en la base de datos del NIST lo muestran con claridad: 153.6 pm en el etano, 133.9 pm en el eteno y 120.3 pm en el etino. El triple enlace del nitrógeno, de 109.8 pm, es tan fuerte que el nitrógeno gaseoso casi no reacciona, aunque forma la mayor parte del aire que respiramos. Las plantas no pueden usarlo directamente; dependen de bacterias y de los rayos para romperlo.

Moléculas, no redes

Los enlaces covalentes unen un número fijo de átomos en una molécula con una forma definida. Los enlaces dentro de una molécula de agua son fuertes, pero las fuerzas entre una molécula de agua y la siguiente son mucho más débiles. Por eso muchas sustancias covalentes son gases o líquidos a temperatura ambiente y se funden o hierven a temperaturas bajas: solo hay que separar las moléculas, no romperlas. El metano hierve a unos −161.5 °C. Unas pocas sustancias covalentes, como el diamante y el cuarzo, son redes gigantes de enlaces sin moléculas separadas, y están entre los materiales más duros que se conocen.