Estructura de los cristales. Fuerzas interatómicas en los cristales
Pantalla completa / Pantalla central / Ayuda
Tabla de contenido a través del logotipo
Ir a la tabla de contenido
Los cristales están formados por átomos, iones y/o moléculas que se empaquetan conjuntamente de un modo ordenado y periódico. Este hecho es la evidencia de la presencia de determinadas fuerzas que mantienen los átomos unidos y que se clasifican en dos grandes grupos, el enlace covalente, que fundamentalmente mantiene átomos unidos en forma de moléculas, y el no-covalente, quien a su vez se clasifica en otros muchas tipologías.



Enlace covalente

Entre todas las fuerzas que mantienen los átomos unidos, las de mayor fortaleza están representadas por el enlace covalente, en donde los átomos implicados comparten sus electrones más externos para formar el enlace, siendo muy dificil separar los átomos unidos por un enlace de este tipo. Uno de los mejores ejemplos de fortaleza de dicho enlace es la estructura del diamante, en la cual, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro vecinos (ver figuras de abajo).

El enlace covalente simple entre dos átomos de carbono en la estructura del diamante, formado por la compartición de 2 electrones de sus capas más externas. En la estructura del diamante cada átomo de carbono comparte electrones con cuatro de sus átomos vecinos, formando cuatro enlaces covalentes simples. Esta estructura es como un armazón gigante de enlaces covalentes que se propagan en las tres dimensiones del espacio.



En los compuestos moleculares, orgánicos y biológicos, los átomos están unidos fuertemente a través de enlcaes covalentes



Enlace no-covalente

El enlace no-covalente no es tan fuerte como el covalente, pero el efecto aditivo de varios enlaces no-covalentes puede llegar a estabilizar una molécula o un conjunto de átomos. En contraste con los enlaces covalentes, los no-covalentes no comparten electrones.

Este tipo de interacción incluye:
Excluyendo el enlace metálico, las interacciones no-covalentes son el tipo de interacciones dominantes entre los átomos y moléculas, y son determinantes para mantener no sólo la forma de las moléculas orgánicas y de las macromoléculas (proteínas y ácidos nucleicos), sino sus correspondientes estructuras cristalinas.


Enlace metálico

El enlace metálico puede describirse como una interacción colectiva de un fluido de electrones móviles con iones metálicos (ver figura de la derecha). Este tipo de enlace ocurre en la estructura de los metales, es decir, allí donde los electrones de valencia sólo representan una fracción muy pequeña del número de coordinación del átomo metálico, y por lo tanto no se pueden establecer enlaces covalentes o iónicos.

El enlace metálico es algo más débil que el iónico o el covalente.

Metallic bonding
Enlaces metálicos en la plata


Enlace iónico


El denominado enlace iónico está constituido por fuerzas de atracción, de carácter electrostático y muy potentes, entre iones positivos y negativos. El vínculo que genera este tipo de enlace no es direccional, lo que significa que la atracción electrónica no favorece a un átomo más que a otro. Los sólidos iónicos pueden estar compuestos por iones simples, tal como se observa en el NaF (fluoruro sódico, figura de la derecha), o por iones poliatómicos, tal como se observa en el nitrato amónico, NH4NO3, con iones NH4+ y NO3- (ver figura de abajo).


Estructura iónica del nitrato amónico




Formación de un enlace iónico en el fluoruro sódico



NaCl, a ionic structure
Estructura atómica del fluoruro sódico


Fuerzas de van der Waals

Las fuerzas de van der Waals (en parte conocidas como fuerzas London) son fuerzas residuales, de atracción o repulsión entre moléculas o grupos atómicos, que no se derivan de las de un enlace covalente, o de la interacción electrostática entre iones, o de grupos iónicos entre sí o con moléculas neutras. Al igual que los enlaces de hidrógeno, las fuerzas de van der Waals se basan en dipolos, es decir, en una diferencia de carga entre dos átomos o moléculas. Pero a diferencia de los enlaces de hidrógeno, las fuerzas de van der Waals suelen ser dipolos no permanentes, es decir, transitorios.

Las fuerzas de van der Waals son relativamente muy débiles en comparación con los enlaces covalentes, pero desempeñan un papel fundamental en campos tan diversos como la química supramolecular, biología estructural, ciencia de polímeros, nanotecnología, ciencia de superficies y física de la materia condensada. Las fuerzas de van der Waals determinan muchas de las propiedades de los compuestos orgánicos, incluyendo su solubilidad en medios polares y no polares.


Fuerzas atractivas resultantes de la interacción entre dipolos


Interacciones hidrofóbicas

La interacción hidrofóbica describe las fuerzas existentes entre el agua y los compuestos llamados hidrófobos (moléculas con muy baja solubilidad en agua). Los compuestos hidrófobos son moléculas no polares que usualmente contienen largas cadenas carbonadas que no interaccionan con las moléculas de agua. La mezcla entre grasas y agua es un buen ejemplo de esta interacción particular (el agua y las grasas no se mezclan) . Un grupo de moléculas no polares se aglutinan entre sí  para excluir el agua. Al hacerlo así, minimizan la superficie que exponen frente al disolvente polar.

Este tipo de interacciones son factores importantes que impulsan el plegamiento de las proteínas, o la inserción de las proteínas de membrana en el entorno no polar de los lípidos. Igualmente contribuyen a la estabilidad de las asociaciones entre proteínas y pequeñas moléculas.



Esquema que, como ejemplo, muestra átomos y aminoácidos implicados en interacciones hidrófobicas (arcos con pestañas)

 
Enlace de hidrógeno
 
El enlace de hidrógeno aparece cuando un átomo de hidrógeno, unido covalentemente a un átomo electronegativo (p. ej. 
O, N, S), es compartido con otro átomo, también de carácter electronegativo.  

El enlace de hidrógeno (también conocido como puente de hidrógeno) se describe frecuentemente como una interacción electrostática de tipo dipolo-dipolo. Sin embargo, también tiene algunas características de unión covalente: es direccional y fuerte, produce distancias interatómicas más cortas que la suma de los radios de van der Waals de los átomos implicados, y por lo general implica un número limitado de átomos implicados en la interacción.

Los enlaces de hidrógeno pueden ocurrir entre moléculas (intermoleculares) o entre diferentes partes de una misma molécula (intramoleculares). Son más fuertes que las interacciones de van der Waals, pero más débiles que los enlaces covalentes o iónicos. Este tipo de enlaces puede ocurrir entre moléculas inorgánicas, tales como agua líquida o sólida, y en moléculas orgánicas. Es muy frecuente en macromoléculas como el ADN y las proteínas.




Ejemplo de moléculas orgánicas unidas por enlaces de hidrógeno


Los enlaces de hidrógeno que se forman en el agua líquida se forman y deshacen constantemente...


En el agua líquida los enlaces de hidrógeno se están formando y deshaciendo contínuamente


En el agua sólida y cristalina, es decir, en la nieve, los enlaces de hidrógeno son permanentes y son los mayores responsables de la estructura de estos cristales...
   
Cristal de los copos de nieve

Las moléculas de agua, unidas por enlaces de hidrógeno, mantienen la estructura tridimensional de los copos de nieve



Pero, volvamos al punto de partida...
 
Tabla de contenido