Molècules complexes

Existeixen una gran varietat de compostos químics amb diferents propietats, estructures i estabilitats. Fins ara, sols hem vist molècules més o menys simples, però hi ha moltíssimes molècules de gran complexitat.

Dins d'aquestes molècules es troben els compostos orgànics o biomolècules, que son aquells basats en el carboni. Parlarem de la química del carboni en una futura unitat, però és interesant estudiar alguna d'aquestes molècules des del punt de vista de l'enllaç químic.

Sense anar-nos-en a macromolècules com l'ADN o proteïnes, podem veure part de la seua complexitat. Per exemple, si observem un àcid gras, veurem que té una cadena llarga formada per enllaços C-C i C-H, sense polaritat e insoluble en aigua. Quan observem l'extrem àcid de la molècula apareixen enllaços C-O i O-H que presenten una elevada polaritat i que, fins i tot, poden ionitzar-se i formar sals iòniques.

 

Estructura de l'àcid gras lauric (fatty acid en anglés, font)

Sense aprofundir massa en aquest punt, està clar que es fàcil analitzar un únic enllaç aïllat i dir tipus i propietats. Però quan trobem molècules amb desenes, centenars, o tal volta, millars d'enllaços, es requereix un estudi més complex per determinar la naturalesa de les mateixes. A més a més, les molècules poden presentar comportaments distints depenent de l'entorn al que les someten.

Ful·lerens

Vam parlar en una publicació anterior de les formes al·lotròpiques del carboni més comuns: diamant i grafit. Però existeixen altres formes molt interessants a nivell industrial: els ful·lerens.

Els ful·lerens van ser descoberts fa poc (l'any 1985), i són molt populars entre els químics, ja que presenten estructures molt interessants (esferes, elipsoides o cilindres) i son útils per a la síntesi de nous compostos. Els ful·lerens esfèrics solen tenir el nom de buckyesferes i els cilíndrics, el de nanotubs.

Animació d'un nanotub en rotació que mostra la seva estructura en 3D (font)

El primer ful·lerè descobert va ser el C₆₀, d'estructura esfèrica idèntica a la d'un baló de futbol (20 hexàgons i 12 pentàgons amb àtoms de carboni en els vèrtexs).

Animació d'un ful·leré C60 (font) 

Les propietats d'aquestes estructures són àmpliament estudiades en biomedicina, química i nanotecnologia. Són pràcticament inerts i alguns poden solubilitzar-se en dissolvents orgànics. El camp de la medicina els usen com a bastida per fixar antibiòtics i altres medicaments, permetent així transportar-los i lliurar-los amb major eficàcia i especificitat. En química són de gran utilitat com catalitzadors i suport per adsorbents i filtres. I en nanotecnologia s'estudien com a superconductors.

Petites interaccions (les forces de Van der Waals)

Les molècules no existeixen aïllades, interaccionen amb altres molècules, i no únicament per reaccionar amb elles. Com hem vist anteriorment (enllaç), els enllaços poden estar polaritzats i, per tant, tenir una càrrega parcial efectiva. Aquestes càrregues presenten forces d'interacció electrostàtica entre si (forces de Keesom). L'atracció electrostàtica intermolecular afavoreix la proximitat de les molècules, fent que les substàncies que presenten aquesta interacció tinguen característiques específiques com, per exemple, majors punts de fusió.

 

Diagrama d'interacció entre dipols (font)

Aquests dipols moleculars també són capaços d'induir la polarització del núvol electrònic existent al voltant d'una molècula no polar. Aquest dipol induït, a la seva vegada, també pot interactuar, mitjançant forces electrostàtiques, amb molècules polars (forces de Deybe). Aquesta interacció és més feble que la que es produeix entre dos dipols permanents, però també participa en l'estabilització de molècules en proximitat.

 

Diagrama en el que s'observa com molècules polars (vermelles) indueixen un dipol a la molècula no polar (verd) i interaccionen amb ella (font)

En absència de molècules polars també es poden donar aquest tipus d'interaccions. Els electrons d'un àtom es troben en continu moviment, per simple probabilitat, hi haurà un moment en el que la densitat electrònica siga major a un costat d'una molècula que a l'altre, formant així un dipol momentani que pot interaccionar electrostàticament amb altres electrons e induir altres dipols (forces de London). Aquestes interaccions son encara més febles i de duració curta, però que tambié contribueixen a l'estabilització.

Encara que aquestes forces semblen insignificants i sense importància, és gràcies a aquestes forces que les sargantanes poden caminar sobre superfícies verticals sense tracció aparent o pel sostre. Empreses d'alta tecnologia estudien aquestes interaccions per tal de crear vestits amb aplicacions lúdiques i militars, que permeten als humans trepar com sargantanes. 

Sargantana caminant per sobre un vidre vertical (font)

Per què el gel flota sobre l'aigua?

Els estats de la matèria (sòlid, líquid i gas) es diferencien a nivell molecular en el grau d'ordenació de les seues partícules així com en el moviment de les mateixes. En general, si observem com les molècules es comporten, aquestes perden mobilitat i guanyen ordre segons van de gas a líquid i de líquid a sòlid. Aquest major ordre fa que la densitat també augmente. Per què, doncs, el gel (sòlid) és menys dens que l'aigua (líquida) i flota sobre aquesta?

Les molècules d'aigua (H₂O) interaccionen de manera diferent ja que els seus àtoms presenten característiques excepcionals. L'àtom d’hidrogen té una peculiaritat, i és que únicament posseeix un electró; aleshores, quan forma un enllaç i aquest es comparteix, el nucli queda d'alguna manera descobert, deixant una càrrega positiva accessible per a interaccionar amb electrons. Al mateix temps, els àtoms d'oxigen tenen parells d'electrons no enllaçants que poden interactuar amb el nucli d'hidrogen.

Representació d'una molècula d'aigua que mostra l'absència d'electrons en els àtoms d'hidrogen i la presència de parells no enllaçants en l'àtom d'oxigen (font)

Aquestes dues característiques fan que siga possible la formació de l’anomenat enllaç (o pont) d'hidrogen. Encara que aquesta interacció no siga formalment un enllaç, té característiques que fa que es comporte com a tal. El pont d'hidrogen presenta una distància i una energia determinada, però més feble que les d'un enllaç. Aquestes propietats fan que, quan l'aigua comença a solidificar-se, les molècules s'ordenen d'una manera característica que deixa alguns espais buits, i la densitat, en comptes d'augmentar, disminueix.

Representació de la distribució de les molècules d'aigua líquida (esquerra) i sólida (dreta) on es pot observar com l'ordenació de les molècules deixa espais buits fent que la densitat siga menor (font)

Què passa amb els electrons compartits quan els àtoms no són iguals?

Als enllaços covalents, els electrons que participen en l'enllaç estan compartits, és a dir, estan sota la influència de dos nuclis. És obvi que quan els dos àtoms son iguals (com a les molècules de Cl₂ o O₂) els electrons es comparteixen de forma igualitària i la densitat electrònica de la molècula és simètrica.

 

Diagrama de densitat electrònica d'un enllaç covalent simètric (font)

Però, què passa quan els dos àtoms són distints i la seva afinitat electrònica és diferent? Doncs els electrons són atrets més fortament pel nucli del àtom més electronegatiu, de forma que la densitat electrònica serà major al voltant d'aquest nucli.

 

Diagrama de densitat electrònica dún enllaç covalent polar (HF, font)

La distribució desigual d'electrons en una molècula d'aquest tipus fa que apareixen càrregues parcials. No estem parlant d'una càrrega pròpiament dita, sinó d'una manca o excés de càrrega menut en parts de la molècula.

La densitat electrònica no simètrica d'aquests enllaços proporciona polaritat a la molècula. La polaritat permet interaccions electrostàtiques febles que fan que les propietats de substàncies polars siguen diferents de les no polars (per exemple, tenen major punt de fusió per aquestes interaccions). Quan major és la diferència en electronegativitat dels àtoms, aquestes característiques s'aproximen a les de les substàncies iòniques. Existeix una gradació entre enllaç iònic i covalent, de manera que s'ha establert un límit, més o menys arbitrari, per determinar si un enllaç és d'un tipus o de l'altre. Aquest límit ve donat pel percentatge de caràcter iònic de l'enllaç (80%) o per diferencia d'electronegativitat dels àtoms constituents (2,5).  

Cal tenir en compte que si una molècula té més d'un enllaç polar, es poden orientar de manera que la polaritat total de la molècula siga nul·la.

La geometria lineal del CO2 i tetraèdrica del CH4 anul·la la polaritat molecular, encara que els enllaços individuals són polars (font)

En què es diferencien el diamant i el grafit?

Pot ser ja sabeu que el diamant i el grafit tenen la mateixa composició: ambdues són formes al·lotròpiques de carboni. Probablement també coneixeu les diferències obvies: el grafit s'usa per escriure i el diamant en joies. Però sabeu quines són les diferencies a nivell atòmic?

El grafit està format per una estructura laminar en la que els àtoms es distribueixen de forma hexagonal. Cada àtom de carboni està enllaçant amb 3 àtoms formant un triangle. Aquesta estructura fa que el material es puga dividir en làmines i, per això, és un bon material per a escriure. A més a més, la disposició dels orbitals atòmics del carboni en el grafit permet la mobilitat electrònica i, per tant, la conductivitat elèctrica.

Estructura laminar del grafit (font)

El diamant cristal·litza formant xarxes tridimensionals d'àtoms de carboni en un sistema cúbic. Cada àtom de carboni està enllaçant amb quatre àtoms que formen els vèrtexs d'un tetraedre. Aquesta és una estructura molt estable i fa que el diamant siga el mineral més dur que existeix en la naturalesa (nivell 10 a l'escala de Mohs). L'estabilitat també és patent en altres característiques ja que el diamant és insoluble, inert i no condueix electricitat.

Animació que mostra la xarxa cúbica del diamant (font)

Electrons al pati de l'escola (l'enllaç metàl·lic)

Com hem estat veient en altres posts d'aquest bloc, algunes característiques de les substàncies es poden explicar amb el tipus d'enllaç. La conductivitat elèctrica dels metalls és una d'aquestes característiques.

Els àtoms de substàncies metàl·liques tenen deficiència electrònica a la seua capa de valència, es a dir, tenen pocs electrons. A més a més, aquests electrons no són atrets pel nucli amb massa eficiència degut als electrons més interns que bloquegen la càrrega del nucli. 

Per afavorir la interacció entre àtoms metàl·lics, aquests es distribueixen en una xarxa geomètrica i es desprenen dels seus electrons de valència. Açò els converteix en cations formals, però no cedeixen els electrons a altres àtoms, sinó que aquests són compartits per tots els àtoms de la xarxa.

Representaciò d'àtoms metàl·lics amb electons lliures (font)

D'aquesta manera, els àtoms encara tenen els seus electrons sense cedir-los, però no pertanyen a cap àtom en particular i poden moure's lliurement dins la xarxa. Aquesta llibertat de moviment permet que els electrons reaccionen quan una càrrega elèctrica es aplicada a un objecte metàl·lic. Quan açò ocurreix, els electons es mouen i condueixen l'electricitat.