Por qué se enlazan los átomos

Romper un mol de enlaces H-H requiere 436 kJ, así que dos átomos de hidrógeno son mucho más estables juntos que separados.

Casi nada a tu alrededor está hecho de átomos sueltos y separados. El aire es sobre todo moléculas de N₂ y O₂, el agua es H₂O y un grano de sal es un bloque de sodio y cloro empaquetados por miles de millones. Solo los gases nobles andan sueltos como átomos aislados. Así que la verdadera pregunta no es si los átomos se unen, sino por qué lo hacen, y por qué algunas combinaciones ocurren y otras nunca.

Menos energía significa más estabilidad

Una pelota en una ladera rueda hacia abajo y se queda en el valle. Los átomos siguen la misma regla con la energía. Cuando dos átomos de hidrógeno se acercan, el electrón de cada uno es atraído por los dos núcleos a la vez. Hasta cierto punto, esta atracción supera la repulsión entre los dos núcleos y entre los dos electrones, y la energía total baja. A una separación de 74 pm la energía llega a su punto más bajo. Si acercas más los núcleos, domina la repulsión; si los separas, tienes que volver a aportar energía. Ese valle es el enlace.

La profundidad del valle es la energía de enlace. Para el hidrógeno es de 436 kJ por cada mol de moléculas, es decir, unos 6 × 10²³ enlaces. Hay que suministrar esa energía para separar las moléculas, y se libera cuando los átomos se unen. Los combustibles funcionan así, al revés: cuando el hidrógeno arde, se rompen enlaces más débiles y se forman otros más fuertes en el agua, y la diferencia sale en forma de calor.

¿Cómo se puede medir una distancia de 74 pm? Nadie usa una regla. Las moléculas giran y vibran, y solo absorben luz de ciertas frecuencias, que dependen de lo separados que estén sus átomos y de lo rígido que sea el enlace. Si mides esas frecuencias con un espectrómetro, la longitud y el ángulo de enlace salen del cálculo. La base de datos NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database reúne estas geometrías medidas, y de ella salen todas las longitudes y ángulos de enlace de los modelos 3D de este curso.

El patrón de la capa completa

Los químicos tienen una forma rápida de predecir qué enlaces se formarán. Los gases nobles, con la capa externa completa, apenas reaccionan, así que una capa completa parece ser una disposición cómoda. Muchos átomos se enlazan de manera que cada uno queda con la capa externa completa, normalmente 8 electrones, o 2 en el caso del hidrógeno. Esto se llama regla del octeto. El químico estadounidense G. N. Lewis describió el par de electrones compartido en 1916, y sus diagramas de puntos se siguen usando para contar los electrones de los enlaces.

Hay tres maneras de completar la capa, y dan lugar a los tres tipos principales de enlace. Un átomo puede ceder electrones a otro, lo que forma iones unidos por atracción eléctrica: un enlace iónico. Dos átomos pueden compartir pares de electrones, de modo que cada uno cuenta los compartidos como propios: un enlace covalente. O un gran conjunto de átomos metálicos puede poner en común sus electrones externos: un enlace metálico. Cuál ocurre depende sobre todo de la electronegatividad, la fuerza con que cada átomo atrae a los electrones.

La regla del octeto es una guía, no una ley. El boro del BF₃ se queda con solo 6 electrones externos, y el azufre del SF₆ tiene 12. Los metales de transición siguen su propia cuenta. Aun así, para los veinte primeros elementos y los compuestos de carbono, nitrógeno y oxígeno funciona con mucha frecuencia, y es el punto de partida adecuado.