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.

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)

Propietats distintes, enllaços distints

Pot ser no es hageu parat a pensar-ho, però de segur que es haveu adonat de que no totes les substàncies són iguals o es comporten de la mateixa manera. Poden ser sòlides, líquides o gasoses, dures o blanes, solubles o no... Moltes d'aquestes característiques venen determinades pel tipus d'enllaç que existeix entre els àtoms que les componen.

Les substàncies que comunament es coneixen com a metalls estan formades mitjançant enllaç metàl·lic. Si penseu en metalls (ferro, coure, or, plata...) tots comparteixen trets que son propis d'aquests materials: son durs i resistents (no es trenquen amb facilitat), es pot canviar la seva forma mitjançant força física (son dúctils) i condueixen tant l'electricitat com el calor. Totes aquestes característiques tenen explicació a nivell atòmic i que veurem en altes entrades de bitàcola.

Coure (font)

L'enllaç iònic està representat per les substàncies que coneixem com sals (no únicament la que utilitzem en la cuina, sinó també les anomenades sals minerals). També aquest grup comparteix una mateixa descripció: son substàncies cristal·lines, molt dures però fràgils, amb elevat punt de fusió, solubles en aigua i altres dissolvents polars i condueixen l'electricitat quan estan dissoltes o en estat líquid. Com en el cas anterior, aquestes característiques poden explicar-se per la seva naturalesa iònica. 

Sal de roca (font)

Les substàncies amb enllaços covalents son molt més variades ja que poden formar-se molècules molt més grans i complexes. Si tenim en compte els compostos amb pocs àtoms per molècula, tots tenen baix punt de fusió (la majoria son gasos a temperatura ambient) i no solubles en aigua. Existeixen les substàncies covalents no moleculars, formades per xarxes contínues d'enllaços (diamant, silicats...) que poden parèixer sals, però que no son solubles en cap dissolvent, son més dures i mai condueixen l'electricitat.

Diamant (font)

Veurem en altres publicacions explicacions d'algunes d'aquestes característiques, com i per què es relacionen amb el tipus d'enllaç.