Fuerza Intramolecular y Energía Potencial

Fuerzas intramoleculares: Enlaces covalentes polares y no polares

Antes de pasar a los distintos tipos de enlaces covalentes , asegurémonos de que estamos de acuerdo en lo que es un enlace covalente.

No sólo es esencial entender qué es un enlace covalente, sino que es necesario comprender cómo se produce este reparto. En una molécula, la carga negativa del par de electrones compartido es atraída por la carga positiva de los núcleos de ambos átomos.

Un enlace covalente entre _H2. StudySmarter Original.

Imagina que tú y un amigo compartís un helado una tarde. Si a los dos os apetece mucho, es probable que os toméis una porción igual. Si tuvieras un antojo absoluto de helado, podrías seguir adelante y coger más de tu porción igual (¡no pasa nada, todos lo haríamos!). Este reparto igual o desigual es la diferencia entre los enlaces covalentes polares y no polares. Aunque los enlaces covalentes consisten en electrones compartidos, los átomos no siempre comparten los electrones por igual.

Enlaces covalentes no polares

En el escenario del helado anterior, se representa un enlace no polar si tú y tu amigo compartierais el helado a partes iguales, salvo que tú y tu amigo seríais dos átomos, y las porciones de helado serían vuestros electrones. Esto suele ocurrir en los enlaces entre dos átomos iguales, como el _H2 o el _N2. Pero, ¿por qué se reparten los electrones a partes iguales?

Esto se debe a un concepto llamado electronegatividad.

Cuando dos átomos tienen electronegatividades similares, esto significa que la fuerza de atracción de ambos átomos hacia los electrones compartidos es igual, por lo que los electrones permanecen esencialmente en el centro y se reparten por igual, como se ha visto anteriormente en el _H2.

Enlaces covalentes polares

Enlace covalente polar en una molécula de cloruro de hidrógeno. StudySmarter Original.

¿Cuál es la definición de energía potencial?

Ahora que hemos tenido la oportunidad de aprender sobre los enlaces covalentes polares y no polares, vamos a definir cómo interviene la energía potencial en las fuerzas intramoleculares (enlaces químicos). Recuerda que la energíapotencial es la energía almacenada en los enlaces. La cantidad de energía potencial en un enlace covalente concreto cambia en función de la longitud del enlace y del equilibrio de fuerzas atractivas y repulsivas entre los átomos.

Los átomos sin orbitales de electrones de valencia completos se encuentran en un estado de alta energía e intentan alcanzar una energía más baja mediante el enlace para ser más estables. Cuanto más desequilibradas estén las fuerzas repulsivas y atractivas, y como veremos cuanto más lejos estés de la mitad de una curva de energía potencial, mayor será la energía potencial de los átomos.

Dedicaremos algún tiempo a este tema y detallaremos qué es la longitud de enlace y cómo pensar en ella en términos de energía potencial.

¿Cómo se relaciona la energía potencial en las fuerzas intramoleculares con la longitud del enlace?

Cuando pensamos en la energía potencial en las fuerzas intramoleculares, podemos utilizar una curva de energía para representar la energía potencial en función de la longitud del enlace.

Dos factores principales afectan a la longitud de enlace de un enlace covalente:

1. el tipo de enlace covalente: simple, doble o triple (esto se denomina orden de enlace)
2. si el orden de enlace es el mismo, el tamaño del átomo determina la longitud

En general, la regla general es que, a medida que aumenta el orden de enlace, disminuye la longitud del enlace y aumenta la fuerza del enlace.

Probablemente estés pensando, vale, pero ¿CÓMO se relaciona todo esto con la energía potencial? Bueno, ahí es donde entra en juego el diagrama de energía mencionado anteriormente.

Diagrama de energía potencial. StudySmarter Original.

Desglosemos lo que nos muestra esta curva de energía potencial. En primer lugar, muestra la relación entre la distancia internuclear (longitud de enlace) y la energía potencial. Como podemos ver, hay tres fases diferentes en las que pueden estar los dos átomos:

• Supongamos que los átomos están muy próximos, como los dos átomos situados más a la izquierda. En ese caso, tendrán una distancia internuclear muy pequeña y experimentarán fuerzas de repulsión muy fuertes entre los dos núcleos, razón por la cual la energía potencial es tan alta.

• A medida que aumenta la distancia internuclear, como se ve en el centro del diagrama, la energía potencial disminuye. A medida que aumenta la distancia internuclear, la fuerza de atracción entre el electrón de cada átomo y los núcleos de los otros átomos empieza a equilibrarse con las fuerzas de repulsión. Recuerda que dos átomos buscan una energía potencial menor mediante el enlace. La distancia internuclear en la que el nivel de energía potencial está en su mínimo es el equilibrio de longitud de enlace y es donde se formará un enlace.

• El equilibrio de la longitud de enlace también está relacionado con la energía de enlace

• Si los átomos se alejan más de esta distancia ideal, entonces la distancia internuclear es demasiado grande para que se forme ningún enlace, ya que las fuerzas de atracción y repulsión están demasiado lejos para interactuar. Como puedes ver, la energía potencial se aproxima a cero.

Ejemplos de energía potencial

Por último, ahora que ya debes comprender cómo se relacionan la energía potencial, la longitud de enlace y las fuerzas intramoleculares, vamos a ver un ejemplo y ¡convertir los conocimientos en trabajo!

Primero nos aseguraremos de que comprendes cómo analizar un diagrama de energía potencial y la curva de energía que te muestra. Observando el siguiente diagrama, ¿cuál es la longitud de enlace de equilibrio y la energía potencial necesaria para romper el enlace?

Curva de energía potencial. StudySmarter Original.

El primer paso para responder a esta pregunta es asegurarte de que sabes dónde se sitúan la longitud de enlace y la energía de enlace en un diagrama de energía.

Recuerda que la longitud de enlace es la distancia intranuclear cuando la energía potencial es la más baja, así que miremos el eje de la energía potencial y veamos la distancia intranuclear cuando la energía potencial alcanza su mínimo.

Podemos hacer una estimación segura de que la longitud de enlace es de unas 150 pm y la energía potencial en esa longitud es de -300 kJ/mol, que es igual a la energía necesaria para romper el enlace.

Utilizando todavía este diagrama, ¡vamos a ver cuánto recuerdas sobre la relación entre la longitud del enlace y el orden y la fuerza del enlace! Si las comparamos con las curvas de energía potencial, ¿cuál se corresponde con un enlace más fuerte?

Comparación de dos curvas de energía potencial. StudySmarter Original.

De nuevo, lo primero que hay que hacer es averiguar la longitud de enlace de las dos moléculas desconocidas.

La línea roja una permanece igual a unos 150 pm.

¿Puedes averiguar la línea azul? ¡Tienes razón si has dicho alrededor de 200 pm (o entre 200 pm y 250 pm)!

Ahora, recuerda que la longitud de enlace está inversamente relacionada con la resistencia. A medida que aumenta la longitud del enlace, disminuye su resistencia. Entonces, ¿cuál tendría un enlace más fuerte? La molécula representada por la línea roja.

La longitud de enlace más corta significa que es más difícil separar los átomos y, por tanto, se trata de un enlace más fuerte.

Bueno, esto nos lleva al final y esperamos que a estas alturas ya estés familiarizado con los enlaces covalentes como tipo de fuerza intramolecular y seas capaz de identificar y explicar la longitud de enlace y la energía potencial de una molécula en un diagrama de energía. Para obtener explicaciones y ejemplos más detallados, consulta Diagramas de Energía Potencial Química y Longitud de Enlace.