Es justo decir que la vida gira en torno a estos cuatro elementos. Pero nunca se encuentran como átomos individuales. En lugar de ello, el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno, junto con muchos otros elementos de la tabla periódica, se unen mediante enlaces covalentes para formar las conocidas estructuras complejas que constituyen gran parte del mundo que nos rodea.
- Este artículo trata sobre los enlaces covalentes en fisicoquímica.
- Definiremos los enlaces covalentes antes de ver cómo se representan en diagramas de puntos y cruces.
- A continuación exploraremos los tipos de enlaces covalentes, incluidos los enlaces dativos, los enlaces dobles y triples , y los enlaces sigma y pi. Esto implicará una introducción a los orbitales y la hibridación.
- Para terminar, conoceremos las propiedades de los enlaces covalentes y su relación con las estructuras covalentes.
- A lo largo de este artículo encontrarás numerosos ejemplos de enlaces covalentes que te ayudarán a consolidar tu aprendizaje.
Definición de enlace covalente
En "Enlace" aprendimos que a los átomos les gusta estar en el estado de menor energía posible. Es entonces cuando son más estables. Para la mayoría de los átomos, esto implica tener una capa externa completa de electrones, o para ser precisos, ocho electrones de valencia. Los átomos pueden conseguirlo de distintas formas, pero a los no metales les resulta más fácil alcanzar este estado estable compartiendo electrones entre sí. Esto se conoce como enlace covalente.
Un enlace covalente es un par de electrones compartidos.
Los enlaces covalentes se forman entre dos átomos no metálicos mediante el solapamiento de algunos de sus electrones de la capa externa. El resultado suele ser que los átomos tienen sus capas externas llenas. Esto les da la configuración electrónica de un gas noble, que es una disposición electrónica más estable. Los átomos se mantienen unidos por unafuerte atracción electrostática entre los núcleos positivos y el par de electrones compartido, que también se conoce como par enlazado. En cambio, los pares de electrones que no participan en el enlace covalente se conocen como pares solitarios.
Un punto importante que debes recordar 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.
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 diagramas de puntos y cruces. Para una representación más sencilla, utilizamos fórmulas mostradas.
Diagramas de puntos y cruces
Podemos representar los enlaces covalentes mediante diagramas de puntos y cruces. 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 mediante puntos, y los del segundo, mediante cruces. Si tenemos más átomos, podemos utilizar otros símbolos, como triángulos o estrellas, para evitar confusiones.
- Los electrones se suelen dibujar por parejas, equidistantes 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.
Veamos juntos un ejemplo.
Dibujaun diagrama de puntos y cruces para una molécula de cloro,Cl2.
Un átomo de cloro tiene siete electrones en su capa externa. Para conseguir una capa exterior llena de electrones, necesita ganar un electrón extra. Dos átomos de cloro pueden hacerlo juntándose y compartiendo cada uno uno uno de sus electrones mediante el solapamiento de sus orbitales atómicos. Se forma así un enlace covalente. Como ahora cada átomo de cloro tiene un electrón más 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 enlazados covalentemente, solapamos ligeramente los círculos. 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, por lo que se dibuja en el solapamiento entre los círculos. Esto muestra un par de electrones compartido: un enlace covalente.
Diagrama de puntos y cruces de una molécula de cloro. Originales de StudySmarter
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 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 sólo dos electrones de valencia.
Fórmulas mostradas
Dibujar diagramas de puntos y cruces puede llevar mucho tiempo en el caso de moléculas grandes. Podemos mostrar el enlace covalente mucho más fácilmente dibujando simplemente el símbolo químico de cada átomo y mostrando los enlaces covalentes entre ellos mediante líneas rectas. Los pares solitarios de electrones suelen omitirse, pero pueden incluirse si son especialmente relevantes para la especie. Este estilo de representar moléculas se conoce como fórmulas mostradas .
Dibuja la fórmula representada de una molécula de cloro, Cl2.
Ya conocemos el enlace covalente de una molécula de cloro. Para mostrarlo mediante fórmulas visualizadas, simplemente representamos los dos átomos utilizando sus símbolos químicos y dibujamos el enlace entre ellos mediante una línea recta. Los pares solitarios de electrones no son tan importantes aquí, por lo que los omitimos:
La fórmula mostrada de una molécula de cloro. Originales de StudySmarter
Consulta "Compuestos orgánicos" para saber más sobre los distintos tipos de fórmulas que se utilizan en química.
Tipos de enlaces covalentes
Todos los enlaces covalentes tienen algo en común: un par de electrones compartidos. Pero dentro del campo de los enlaces covalentes, existen algunos tipos diferentes de enlace. Entre ellos están:
- Enlaces covalentes dativos.
- Enlaces simples, dobles y triples.
- Enlaces sigma y pi.
Explorémoslos ahora.
Enlaces simples, dobles y triples
Algunos átomos sólo necesitan un par de electrones compartidos para completar su capa externa. Un ejemplo es la molécula de cloro, Cl2, que hemos explorado antes. Los átomos de cloro tienen siete electrones de valencia, pero si dos átomos de cloro comparten un electrón entre sí, ambos tendrán ocho, completando sus capas externas.
Sin embargo, algunos átomos necesitan más de un par de electrones compartidos para completar su capa externa. Para ello, pueden formar varios enlaces simples con átomos distintos, 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 enlaces dobles y triples en 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 enlaces dobles y triples en fórmulas mostradas, basta con dibujar una línea doble o triple respectivamente.
El oxígeno, O2, contiene un doble enlace, mientras que el nitrógeno, N2, contiene un triple enlace. Muestra estas moléculas utilizando diagramas de puntos y cruces y fórmulas mostradas.
El oxígeno tiene seis electrones de valencia. Puede alcanzar una capa exterior completa compartiendo dos pares de electrones con otro átomo de oxígeno, formando un enlace covalente doble:
Un diagrama de puntos y cruces y la fórmula mostrada de una molécula de oxígeno. Originales de StudySmarter
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, formando un enlace covalente triple:
Un diagrama de puntos y cruces y la fórmula mostrada de una molécula de nitrógeno. Originales de StudySmarter
Los enlaces sencillos, dobles y triples también varían en longitud y energía:
La energía relativa y la longitud de los enlaces covalentes sencillos, dobles y triples. StudySmarter Originales
Enlaces sigma y pi
¿Recuerdas que dijimos que los enlaces covalentes implican una superposición de orbitales atómicos? Pues bien, los orbitales pueden solaparse de distintas maneras, y esto crea otras dos formas de clasificar los enlaces covalentes:
- Los enlacessigma se forman por el solapamiento de extremo a extremo de orbitales s u orbitales sp hibridados. Todos los enlaces covalentes simples son enlaces sigma.
- Los enlacespi se forman por la superposición lateral de 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, en conjunto es bastante más fuerte que un enlace sigma por sí solo. Del mismo modo, como los enlaces triples contienen un enlace sigma y dos enlaces pi, son aún más fuertes.
Enlaces covalentes dativos
Por último, consideremos los enlaces covalentes dativos.
En nuestro ejemplo anterior del Cl2, dos átomos se unieron y formaron un enlace covalente compartiendo 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 coordinado.
Para formar un enlace dativo, necesitas una especie con un par solitario de electrones y una especie con un orbital electrónico vacío. La especie con el par solitario 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.
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. Mostramos estos enlaces en fórmulas mostradas utilizando una flecha dibujada desde la especie donante hacia la especie receptora. Sin embargo, los enlaces dativos son exactamente iguales que 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 utilizando tanto un diagrama de puntos y cruces como una fórmula mostrada.
El nitrógeno tiene cinco electrones de valencia. Necesita formar tres enlaces covalentes para conseguir una capa externa completa, y lo hace formando tres enlaces simples con tres átomos de hidrógeno diferentes. Esto deja al nitrógeno con un par solitario de electrones. Los utiliza para unirse a un ion hidrógeno, H+, que tiene un orbital electrónico vacío. Se forma así un enlace covalente dativo. En este caso, el nitrógeno aporta los dos electrones del par enlazado:
Un diagrama de puntos y cruces y la fórmula mostrada de un ion amonio. Originales de StudySmarter
Propiedades de los enlaces covalentes
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 distintas especies covalentes contienen diferente número y disposición de enlaces covalentes, y esto cambia sus propiedades. Por ejemplo, los dos elementos más abundantes que componen la Tierra, el oxígeno y el silicio, contienen ambos enlaces covalentes, pero en su forma elemental están estructurados de formas muy distintas. 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 contrapuestas les confieren a ambos propiedades diferentes:
- Las moléculas covalentessimples 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 superarse. Esto hace que las moléculas covalentes simples tengan puntos de fusión y ebullición bajos.
- Las macromoléculas, también conocidas como estructuras covalentes gigantes, son entramados enormes, formados por muchos átomos unidos por múltiples enlaces covalentes en todas direcciones. Tienen puntos de fusión y ebullición altos, ya que todos sus enlaces covalentes son extremadamente fuertes y requieren mucha energía para superarlos. Poresta misma razón, son duros y fuertes.
Un ejemplo de molécula covalente simple y de macromolécula covalente gigante. Originales de StudySmarterPuedes comparar las moléculas covalentes simples y las macromoléculas covalentes gigantes en el artículo "Propiedades físicas de las estructuras reticulares", que también las contrasta con las retículas gigantes iónicas y metálicas.
Ejemplos de enlaces covalentes
A lo largo de este artículo hemos incluido muchos ejemplos de enlaces covalentes: desde enlaces sencillos, dobles y triples, hasta enlaces covalentes dativos y diferentes estructuras covalentes. Pero si quieres ver más enlaces covalentes en acción, dirígete a "Ejemplos de enlaces covalentes", donde encontrarás muchas más moléculas. También puedes descubrir algunas macromoléculas covalentes gigantes en el artículo "Estructuras de carbono".
Enlace covalente - Puntos clave
Un enlace covalente es un par de electrones compartidos. Suele formarse entre dos no metales y hace que ambos átomos tengan sus capas externas llenas. Se forma debido a la superposición de orbitales de electrones.
Podemos representar los enlaces covalentes mediante diagramas de puntos y cruces, que muestran la capa externa de electrones, o con fórmulas mostradas.
Los átomos pueden formar enlaces sencillos, dobles o triples. Los enlaces sencillos son los más largos, mientras que los triples son los más energéticos.
Los enlacessigma se producen por el solapamiento de extremo a extremo de orbitales hibridados s o sp, mientras que los enlaces pi se producen por el solapamiento lateral de 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 vacío.
Los átomos con enlace covalente pueden formar moléculas covalentes simples o macromoléculas covalentes gigantes. Tienen propiedades diferentes debido a su número y disposición de enlaces covalentes.
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