Estructura Molecular: Gases Nobles y Enlace Químico

Nociones de Estructura Molecular

• Los átomos con capas de electrones saturadas tienen máxima estabilidad e inercia química.
• Los gases nobles tienen 8 electrones en su capa externa, excepto el helio que tiene 2.
• Los átomos tienden a perder o ganar electrones para adoptar la configuración estable de los gases nobles.
• Los átomos reaccionan entre sí para formar agregados o compuestos complejos.
• La unión interatómica se debe a la tendencia de:
• Elementos metálicos a perder electrones y adquirir la estructura del gas noble anterior en la tabla periódica.
• Elementos no metálicos a incorporar electrones y completar su capa periférica con ocho electrones.
• Electrones a agruparse por pares de giro opuesto.
• Interacción para disminuir la repulsión nuclear.
• Un enlace químico se establece cuando las fuerzas interatómicas mantienen un agregado estable entre dos átomos o grupos de átomos, considerándolo como una especie química independiente.
• Existen tres tipos principales de enlaces químicos: iónico, covalente y coordinado.

Enlace Iónico

• Se produce cuando un átomo cede uno o varios electrones periféricos a otro de forma permanente.
• El átomo donador tiende a desprenderse electrones para adquirir la disposición del gas noble que le precede en la tabla periódica.
• El átomo aceptor tiende a incorporar electrones para adoptar la estructura del gas noble que le sigue en la tabla periódica.
• El átomo aceptor se convierte en una partícula con carga negativa, mientras que el átomo donador queda con carga positiva
• Las partículas resultantes se mantienen unidas por atracción electrostática.
• En la sal común, el cloro y el sodio están unidos por medio de enlaces iónicos.
• Es más fácil desprender un electrón del sodio que del cloro desde el punto de vista energético.
• La energía necesaria para transferir un electrón del átomo de sodio al de cloro es igual a 33.4 Kcal/mol, mientras que la exigida para conseguir la transferencia de un electrón del átomo de cloro al de sodio es de 280.3 Kcal/mol.
• La transferencia electrónica se realiza desde el sodio al cloro.
• En ambos casos, el proceso de ionización es endotérmico, pero la energía resultante de la atracción entre los dos iones es superior a las 100 Kcal.
• La unión iónica no implica contacto directo entre átomos, sino que cada ion ejerce atracción en todas direcciones, rodeándose de iones de signo contrario.
• No se forman moléculas, sino iones dispuestos en una red cristalina.
• En fluoruro de litio y cloruro sódico, cada ion metálico está rodeado por 6 iones de halógeno y viceversa.

Enlace Covalente

• Es más probable entre elementos en los extremos de la tabla periódica.
• Es más difícil la transferencia electrónica permanente para átomos con estructuras electrónicas similares.
• Los átomos comparten electrones temporalmente para completar su órbita de valencia.
• Los electrones compartidos forman parte de las capas de valencia de ambos átomos, ayudándose mutuamente a adquirir la estructura del gas noble.
• Los electrones compartidos mantienen unidos a los átomos, formando así el enlace covalente.
• En enlace sencillo se comparte un par de electrones, en un doble enlace dos pares, y en un triple enlace tres pares.
• Los compuestos con enlaces covalentes son neutros y no poseen el campo eléctrico de los compuestos iónicos.
• El cloro y el hidrógeno se unen por medio de un enlace covalente sencillo para formar el ácido clorhídrico.

Enlace de Coordinación o Semicovalente

• Se produce cuando uno de los átomos proporciona los dos electrones del enlace.
• Se llama también enlace de covalencia coordinada o dativa, o electrocovalente.

Fuerzas Intermoleculares

• Las moléculas con enlaces covalentes son neutras pero muestran atracción mutua.

Fuerzas de Atracción

• Las fuerzas de atracción entre moléculas neutras se llaman fuerzas de Van der Waals.
• Las fuerzas de London se producen cuando en una molécula neutra, las cargas negativas de los electrones no siempre coinciden con las cargas positivas del núcleo, generando dipolos eléctricos instantáneos.
• La atracción varía continuamente debido al constante cambio de polarización de las moléculas.
• La tendencia a formar dipolos depende del número de electrones y su distancia al núcleo.
• Los puntos de ebullición aumentan con la tendencia a la polarización, por lo que las fuerzas de London-Van der Waals son más intensas.
• El flúor, cloro, bromo y yodo hierven a -187.-35, 59 y 184°C respectivamente.
• Para los hidrocarburos alifáticos la fuerza de atracción es aproximadamente de 1 Kcal/mol por cada grupo.
• La atracción disminuye con la séptima potencia de la distancia, siendo efectivas solo en distancias intermoleculares pequeñas.

Atracción Bipolar (Dipolar)

• Ocurre cuando los átomos de una molécula son de tamaño desigual y la compartición electrónica no es idéntica.
• Resulta en un dipolo molecular permanente, donde el centro de gravedad de las cargas positivas no coincide con el de las negativas.
• Ejemplo: el ácido clorhídrico hierve a -85°C y el argón a -186°C, a pesar de tener ambos 18 electrones.
• En el ácido clorhídrico, los electrones compartidos circulan más tiempo alrededor del cloro, generando un dipolo permanente.

Enlaces de Hidrógeno

• Las moléculas con átomos de hidrógeno se comportan como dipolos permanentes de particular intensidad y atraen fuertemente a átomos muy electronegativos (oxígeno, nitrógeno o flúor) en otras moléculas.
• El núcleo positivo de los átomos de hidrógeno posee un campo electrostático muy intenso que atrae a las cargas negativas.
• La energía del enlace de hidrógeno es de aproximadamente 5 Kcal/mol.
• El enlace de hidrógeno se representa con una línea de puntos entre el átomo de hidrógeno y el átomo con el que se establece la atracción.
• Los enlaces de hidrógeno influyen en las propiedades de las moléculas, como las características físico-químicas y biológicas del agua y de las proteínas.
• Los enlaces de hidrógeno se extienden en las tres dimensiones del espacio y pueden dar lugar a estructuras de polimerización, como el agua o el hielo.
• Los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) están constituidos por una doble hélice entrelazada; los enlaces de hidrogeno mantienen unidos los dos cordones de la hélice.

Fuerzas de Repulsión

• Entre átomos existen fuerzas de repulsión que impiden la fusión completa de las partículas materiales.
• Los núcleos positivos de los átomos producen la repulsión, principalmente por la penetración recíproca de sus nubes u orbitas electrónicas.
• Es de acuerdo on el principio de exclusión de Pauli, que impide la presencia de nuevos electrones en las orbitas ya saturadas.
• Las fuerzas de repulsión están en relación inversa con la decimotercera potencia de la distancia.
• En una molécula, existe una distancia óptima donde las fuerzas de repulsión y atracción se equilibran.

Constitución Material de los Seres Vivos

• Existen más de 350.000 especies vegetales y casi un millón de especies animales sobre la tierra.
• Los organismos vivos poseen una organización química similar.

Composición Elemental de los Seres Vivos

• El mundo está hecho de átomos, con aproximadamente 115 elementos diferentes.
• El 99% de la masa del universo está formada por hidrógeno (76%) y helio (23%).
• El cuerpo humano de 70kg contiene principalmente:
• 44 kg de oxígeno
• 14 kg de carbono
• 7 kg de hidrógeno
• 2.1 kg de nitrógeno
• 1 kg de calcio
• El carbono, el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, el fósforo y, en los vertebrados, el calcio, constituyen más del 99% de la masa total del organismo.
• Los elementos primarios se encuentran en todas las formas de vida y determinan la estructura física del protoplasma.
• Los elementos secundarios como calcio en invertebrados, magnesio, sodio, potasio, hierro, azufre y cloro se encuentran en proporciones mucho más pequeñas entre 0,05 у 1%
• Se encuentran trazas de cobre, manganeso, zinc, cobalto, flúor, iodo, vanadio, y en las plantas, boro y molibdeno.
• Los microconstituyentes se agrupan bajo la denominación de oligoelementos y son esenciales para la normalidad de las funciones vitales.
• Los elementos muestran una distribución variable y alcanzan concentraciones importantes en algunas especies.
• Existe una relación estrecha entre la composición química del mundo circundante y estado de salud de los seres vivos.
• La falta de algún oligoelemento determina la aparición de ciertas enfermedades.

Seres Vivos y Biosfera

• La vida descansa sobre determinados elementos químicos, formando compuestos propios y característicos.
• En 1645, Nicolás LEMRY clasificó la naturaleza en animal, vegetal y mineral.
• Haciael siglo XIX se diferencian animales de minerales por mayor proporción de carbono, hidrógeno y oxígeno.
• El descubrimiento de WOEHLER hizo que la química orgánica perdiera su significado vitalista inicial.
• La química de los seres vivos se basa en los mismos elementos químicos que se encuentran en el mundo inorgánico.
• Los seres vivos seleccionan los elementos biológicos, incorporando los necesarios y despreciando a otros más abundantes.

Importancia Funcional de los Elementos Biogenésicos

• La mayor parte de los elementos biológicos se agrupan en las tres primeras series del sistema periódico.
• Los compuestos de bajo peso molecular con átomos ligeros son más solubles en agua.
• Los elementos biogenésicos se dividen funcionalmente en:
• Elementos estructurales (carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre).
• Elementos esqueléticos (calcio, magnesio, fósforo, flúor, silicio).
• Elementos energéticos (carbono, hidrógeno, oxígeno y fósforo).
• Elementos electrolíticos y de osmo-regulación (sodio, potasio, calcio, magnesio, cloro, azufre).
• Elementos catalíticos (manganeso, zinc, iodo, hierro, azufre, calcio, magnesio, cobalto, cobre).

Composición Molecular de los Seres Vivos

• Se obtienen compuestos orgánicos denominados principios inmediatos a través de la utilización de métodos químicos.
• Los análisis inmediatos del material biológico son Prótidos, glúcidos y lípidos.
• Están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y , en muchos casos, azufre.
• Ocupan la mayor proporción de compuestos orgánicos del cuerpo, aproximadamente 21% de la masa total.
• Las nucleoproteínas , controlan la síntesis biológica y la transmisión de los caracteres celulares e individuales.
• Los glúcidos
• Están constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno, y contribuyen a forma la masa total del cuerpo humano en la proporción del1%.
• Su funcion principal es la de servir como fuente de energia en los animales
• El cuerpo humano contiene un 15% de lípidos.
• La mayor parte de los lípidos del organismo tienen el valor funcional de servir como depósito o reserva de energía.
• Además de estos tres tipos de principios inmediatos, se distinguen desde el punto de vista funcional las enzimas, las vitaminas y las hormonas.

Características Fisico-Químicas de los Seres Vivos

• La célula está constituida por un fluido acuoso, de viscosidad variable.
• El cuerpo de la célula está limitado por una membrana que separa el fluido intracelular del medio líquido que le rodea.
• El citoplasma es una dispersión acuosa que contiene una gran variedad de sustancias: moléculas complejas, moléculas más simples y partículas con carga eléctrica.
• El agua es el componente más importante de la célula y del medio que la rodea.
• El estado coloidal del protoplasma determina la elasticidad de los tejidos, las acciones de superficie y los fenómenos de absorción.
• Las variaciones de pH producen efectos marcados sobre la estructura de las proteínas y en la actividad enzimática.
• Son otros aspectos físico-químicos de la actividad de los seres vivos que es necesario analizar y conocer como la distribución de los iones a ambos lados de la membrana celular y el potencial eléctrico de superficie y los procesos de oxido-reducción.