Todo lo que quisiste saber del enlace químico y no te atreviste a preguntar.

Hace ya unos meses en este mismo blog hablábamos del enlace químico, el pegamento que mantiene unido los átomos que forman los sistemas arquitectónicos del nanomundo como son las moléculas y los sólidos (iónicos, covalentes o metálicos). Aquel post que publicamos allá por mayor de este año (cuando este blog tuvo el honor de recoger el testigo de Bernardo Herradón para organizar la XV Edición del Carnaval de Química) llevaba por título El pegamento de la materia. El enlace químico. En aquel post (puedes leerlo aquí) ya comentábamos algunas de las ideas que retomamos hoy pero que conviene afianzar y recodar, tanto más si son aspectos tan fundamentales en Química como es el enlace químico.

Logo de la XV Edición del Carnaval de Química celebrado en este blog.



Ahora para la XX Edición del Carnaval de Química, organizada por Amara en su blog La Ciencia de Amara, volvemos a hablar de enlace químico pero desde otra perspectiva.

Cojamos un libro de Física y Química de 3º ESO, el primer curso de Educación Secundaria en el que el alumno tiene contacto con la Química como tal.  Al abrirlo encontramos estas definiciones para los distintos tipos de enlaces químicos:

El enlace iónico se establece entre átomos metálicos y no metálicos después de ceder electrones los primeros a los segundos.

El enlace covalente se establece entre átomos no metálicos entre los que se comparten electrones.

En los metales los átomos están unidos mediante enlace metálico.

Quizás sea algo que todos hemos leido a lo largo de nuestra vida académica o incluso memorizado cuando éramos más jóvenes pues parece ser que definir el enlace químico en términos de la electronegatividad o carácter metálico de los átomos enlazados parece ser más "didáctico" o "pedagógico". Pero desde un punto de vista científico no es correcto.

Consideremos por ejemplo la definición de enlace covalente dada. ¿Cómo explicamos a un alumno que se ha "criado" con este tipo de definiciones que podemos tener sistemas moleculares con enlace covalente entre átomos metálicos? (sí sí, has leido bien, ¡enlace covalente!). Éste es el caso de sistemas como el de la figura. Se trata de un hilo molecular constituido por átomos de rutenio unidos por enlace covalente Ru-Ru de orden 2,5 (más fuerte que un doble enlace), unidos entre sí a través de ligandos cloruro axiales. Cada unidad de Ru-Ru  está a su vez unida a cuatro moléculas de ligando (amidatos o ácidos carboxílicos).

Hilo molecular basado en cadenas en zig-zag de  unidades de dirrutenio.

Algunos pedagogos podrán consider que este tipo de sistemas está fuera del alcance de los contenidos de la asignatura de Química de ESO o de Bachillerato. ¿Pero no sería mejor dar una visión realista de qué es el enlace covalente desde un principio y posteriormente especificar en términos de la electronegatividad de los átomos enlazados? En este sentido, el enlace covalente podría explicarse como:  

El enlace covalente es la unión o ligadura entre átomos de tal modo que se comparte densidad electrónica (para no asustar a los alumnos primerizos podríamos decir "electrones") en una región determinada del espacio entre los átomos enlazados (es el llamado carácter direccional del enlace covalente). Generalmente, y para las sustancias con los que trabajaremos, el enlace covalente se suele dar entre átomos de elementos no metálicos iguales (elementos) o distintos (compuestos)  formando generalmente moléculas y, en otros casos, otros  sistemas químicos como cadenas,  láminas o redes tridimensionales.

Un pequeño paréntesis para los que nos gusta pensar químicamente. No apto para iniciados...

Es interesante para los que ya somos químicos reflexionar sobre el matiz de "región determinada". En un principio uno piensa en un enlace covalente localizado pero sabemos que existen sistemas con enlace covalente deslocalizado. Véase el caso del benceno (el enlace pi está deslocalizado en el anilo de 6 átomos de carbono) o el grafito (existe una nuble pi que se deslocaliza en las láminas, lo que explica su conductividad eléctrica). Pero aunque se trate de un sistema "deslocalizado" corresponde a una región determinada del espacio (nube pi por encima y debajo del anillo en el benceno a lo largo de las láminas en el grafito).  La deslocalización no implica "no direccionalidad" u "omnidireccionalidad". Tendremos que recodarlo un poco más adelante en este mismo post.

Enlace pi en el benceno.

Volvamos otra vez al contenido apto para todos los públicos.

De este modo no se "adultera" la verdad científica y el alumno por otro lado sabe que eso de "entre no metales, enlace covalente" es una simplificación y no se extrañará cuando, si continua en sus estudios de Química le hablen de sistemas con enlace covalente metal-metal. Los fines didácticos nunca pueden ser más importantes que los propios conocimientos que se deben transmitir (aunque eso de "transmitir conocimientos" ya no sea bien visto por la pedagogía y busque ser sustituido por "construir conocimientos")  El objetivo es alfabetizar a nuestros alumnos en Química, no venderles una Química "adulterada".



Estructura del C diamante.

Si nos fijamos en la explicación, además de las conocidas moléculas he incluido "otros sistemas químicos". Así no excluimos a las cadenas que forman el selenio o el teluro en forma elemental, las láminas de algunas de las formas alotrópicas del fósforo (P negro romboédrico) o la red tridimensional que forma el diamante (una de las formas alotrópicas del carbono elemental). Dependiendo del nivel en el que nos encontremos podremos hacer más hincapié o menos. A los benjamines de la Química no les hablaremos de estos sistemas hasta que no sean algo "mayores" (en  muchos casos, hasta la universidad) pero no estaría de más que sepan que no siempre que los átomos se unen por enlace covalente se forman moléculas (sí generalmente, pero puede haber "otras cosas" que ya se estudiarán más adelante).

Por tanto, "cuando los átomos se unen por enlace covalente forman moléculas", no;  pero "los átomos unidos por enlace covalente pueden formar (o forman generalmente) moléculas´", sí. No es sólo cuestión de lenguaje...¡Es cuestión de Química!

Pero existe un motivo adicional para no ser adecuado definir directamente  el enlace en términos del carácter metálico o no de los elementos enlazados y es que el concepto de metal o no metal no es un concepto absoluto sino que depende de las condiciones de presión. Un elemento no metálico, al aumentar la presión presenta carácter metálico. Así el hidrógeno, un no metal, a altas presiones presenta comportamiento metálico. Por tanto, la propia Química nos hace ver que las definiciones más didácticas de enlace covalente no son en todo rigor correctas.

Fórmulas de Lewis para la representación de moléculas sencillas.

Afianzado el concepto de carácter covalente como aquél en el que existe compartición de electrones (o densidad electrónica)  entre los átomos en una determinada región, ¿sería posible explicar el enlace iónico y el enlace metálico en términos de enlace covalente? Posiblemente, y fuera del contexto en el que estamos hablando, podría ser una auténtica barbaridad. Desde luego, no es algo que convenga tratar en clase con nuestros jóvenes alumnos que se acaban de asomar a la Química. Las siguiente anotaciones del cuaderno son sólo aptas para los que ya somos químico o los que pretenden serlo.

En el enlace metálico, de acuerdo al sencillo pero ilustrativo modelo del mar de electrones, tenemos átomos de metal en forma catiónica envueltos por una nuble electrónica común a la que han contribuido todos y cada uno de los átomos que forman la red. Es decir, todos los átomos de la red comparten electrones de manera colectiva.

¿Podríamos decir que el enlace metálico es un enlace covalente "colectivo"? La respuesta es que así tal cual, no puesto que la definición de enlace covalente no implica sólo compartición de densidad electrónica sino también el carácter de direccionalidad, que no existe en el enlace metálico. ¿Es el mismo enlace el que existe en el diamante (red de átomos de C unidos por enlace covalente) que en el hierro metálico (red de átomos de Fe en forma catiónica unidos por la nube electrónica)? La respuesta es clara. Mientras que en el diamante, la densidad electrónica se concentra en determiandas direcciones (cada átomos de C está unido a otros cuatro que están en los vértices de un tetraedro), en el hierro, la densidad electrónica se distribuye en todas las direcciones de la red. Eso es lo que diferencia un enlace de otro. El carácter de direccionalidad. Por tanto, decir que el enlace metálico es un caso de enlace covalente colectivo sin más no es correcto. Debemos añadir que la densidad electrónica se comparte de manera colectiva en la red y se distribuye en todas las direcciones de la misma (caracter no direccional de enlace metálico). Algo así como un enlace covalente extendido a toda la red metálica de modo que se pierde la direccionalidad.   Así el enlace metálico se podría explicar como :

El enlace metálico es la unión o ligadura entre átomos que comparten densidad electrónica (o electrones) de manera colectiva en una red y con carácter no direccional (o si se prefiere, en todas las direcciones del espacio). Es el enlace que existe en los elementos metálicos de la tabla periódica.

¿Y qué ocurre con el enlace iónico? ¿Podríamos decir que se trata de un caso particular de enlace covalente? Dicho así, de nuevo sería un grave error de concepto pero no si se contextualiza como es debido. Un enlace covalente es apolar, es decir, la nube electrónica localizada entre los átomos unidos se distribuye de manera simétrica, si ambos átomos unidos son iguales. En el momento en el que son distintos, la nube electrónica ya no es simétrica y se dice que el enlace covalente es polar. El elemento más electronegativo atraerá más a los electrones del enlace y la nube electrónica se "concentrará" más en las proximidades de dicho átomo. ¿Y si dicha densidad electrónica se concentra tánto sobre uno de los átomos que podemos decir que pertenece prácticamente a este átomo y no al otro átomo enlazado? En ese caso, un caso límite, estaríamos ante un enlace iónico (un átomo cede densidad electrónica a otro, de modo que el primero forma un catión y el segundo un anión, que se unen por atracción electrostática) pero también ante un caso de enlace covalente polar extremo.

Sabemos que no existe un enlace iónico 100% puro. Siempre hay un ligera compartición de densidad electrónica, luego siempre hay una pequeña participación covalente. Por tanto, contemplar el enlace iónico como un caso extremo de enlace covalente polar no es ninguna barbaridad ni debe asustarnos. No obstante, en Química nos es útil hablar de enlace iónico y considerar esa compartición de densidad electrónica en términos de participación covalente, que se puede evaluar mediante las llamadas Reglas de Fajans.  Por tanto, en todo rigor, decir que entre un átomo de un metal y un no metal existe enlace iónico no es del todo cierto, pues hemos visto que existe cierta compartición de densidad electrónica. Aún así , podemos asumir una  forma de explicar el enlace iónico como: 

El enlace iónico es la unión o ligadura de naturaleza electrostática que mantiene unidos a aniones y cationes en una  red cristalina. Generalmente, el catión procede de un elemento metálico que cede electrones a otro elemento no metálico, que pasa a ser un anión. Al tener cargas opuestas, dichos iones se atraerán.

De este modo, damos explicaciones veraces y realistas sobre los enlaces químicos y posteriormente, con la herramienta "generalmente", podemos concretar en los casos concretos y particulares a los que nos vamos a referir en los cursos que estemos considerando. Partir de los casos particulares y generalizar, a parte de no ser correcto desde el punto de vista científico, tampoco ha demostrado ser de gran valor pedagógico pues creo que es mucho más intuitivo para el alumno decir "en el enlace covalente se comparte electrones situados entre los átomos unidos" que decir "el enlace covalente se dan entre no metales" cuando el alumno aún no tiene muchas veces claro el concepto de metal y no metal. Aprenderse "ente no metales, enlace covalente" es más rápido, pero no es correcto científicamente y no podemos olvidar que el objetivo es que nuestros jóvenes aprendan Química.

 No se trata de hablarles de Mecánica Cuántica desde el principio (de hecho en este post hemos hablado de enlace sin tener que recurrir a funciones de onda ni tampoco al concepto de orbital), ni de que el enlace iónico o metálico puedan expresarse en términos de enlace covalente (recuerda que eso no era ápto para todos los públicos)  pero sí de explicarse los conceptos fundamentales de Química (que tampoco son tantos) de manera clara, veraz y dejando claro cuándo se simplifica y cuándo estamos ante un aspecto general.

Tal y como comentaba hace unos días, la Física y la Química son ciencias. Su didáctica, aunque útil, no lo es. Por tanto, podemos tener diversidad de opiniones al respecto. Humildemente, para un servidor, creo que la verdad científica (que no es incompatible con la claridad y "buena enseñanza") ha de prevalecer sobre las simplificaciones con fines pedagógicos. Y no son imcompatibles. Es tan sencillo como recordar ese "generalmente" del que hablábamos al comienzo del post.

Yo a mis alumnos no les definiré el enlace covalente como el que se da entre no metales pero sí les diré, una vez que hayan entendido que "compartir electrones" y "en una determinada región" son los aspectos clave, que  generalmente será el enlace que haya entre los no metales. Así no se asustarán si el día de mañana oyen hablar de compuestos con enlace covalente metal-metal. No quiero que recuerden a su "profe" de Física y Química como un "mentiroso".

NOTA:

1) Se ha hablado de aspectos didácticos del enlace químico y al mismo tiempo de aspectos algo más complejos a la hora de afrontar el estudio del enlace, como en el caso del enlace iónico y el enlace metálico. Por ello he considerado oportuno diferenciar entre contenidos "aptos" para todos los públicos y aspectos "aptos" para los que ya somos químicos y podemos permitirnos reflexionar sobre aspectos básicos de nuestra disciplina. No es, por supuesto, por no considerar capacitado al lector para su asimilación sino porque no creo que sea lo más representativo con lo que el lector "iniciado" en el mundo de la Química se deba topar. La Química es de todos y para todos, por ello considero que es mi obligación avisar sobre ello. Si no has profudizado un poco en el estudio de la Química, lo de "direccional", "localizado", "deslocalizado" y "esta mezcla de enlaces" y demás pueden parecerte un poco liosos. Por supuesto, para cualquier pregunta, sugerencia u opinión, Calpurnia Tate siempre está disponible (comentarios, emails, twitter, página de Facebook...).

2) Este post participa en la XX Edición del Carnaval de Química que organiza  @bioamara en su blog La ciencia de Amara.