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Según
la teoría del enlace de valencia para que se forme un enlace covalente típico
entre dos átomos, han de interaccionar, interpenetrarse o solaparse un
orbital de uno de los átomos con un orbital del otro y para que ello sea
posible cada orbital debe estar ocupado por un solo electrón y además de
espines opuestos. Como
ejemplo más sencillo se puede considerar la formación de la molécula de
hidrógeno a partir de sus átomos, cada uno de ellos con un electrón en su
orbital atómico 1s. Cuando los dos átomos se aproximan se produce el
solapamiento de sus orbitales lo que supone la creación del enlace
hidrógeno-hidrógeno:
Cuando
los átomos están muy alejados la interacción entre ambos es nula, pero a
medida que se van acercando comienzan a interaccionar. Por una parte se
produce una atracción mutua entre el electrón de cada uno de los átomos por
parte del núcleo del otro y, por otra, comienza a establecerse una repulsión
entre las partículas con carga eléctrica del mismo signo de ambos átomos, especialmente
entre sus núcleos. Al principio predominan las fuerzas atractivas
electrón-núcleo lo que favorece el acercamiento de ambos átomos, pero a
medida que éste se produce, aumentan las fuerzas repulsivas entre los núcleos
hasta igualarse con las atractivas. En este momento se alcanza un mínimo de
energía y un máximo de estabilidad del conjunto formado por los dos átomos de
hidrógeno. Se ha formado el enlace y, como consecuencia, la molécula de
hidrógeno. Existe
un grave problema con esta explicación de la formación de enlaces. Se supuso
que los electrones están inmóviles y que a medida que los núcleos se
aproximan estarán estacionarios en la región entre los dos núcleos. Los
electrones no se comportan de esta forma. Los electrones se mueven y, de acuerdo
con el principio de incertidumbre de Heisenberg, no es posible saber
de forma simultánea la posición y la cantidad de movimiento de un electrón.
Es decir, no podemos localizar a los electrones en forma tan precisa como la
explicación sugiere, en su lugar se habla de si la densidad de probabilidad
de encontrar electrones en sitios particulares es alta o baja. Si
en un sistema de coordenadas se representa la variación de la energía
potencial (es decir, de toda la energía del sistema, excepto la cinética) en
función de la distancia existente entre los dos átomos que se aproximan se
tiene la siguiente gráfica:
donde
la línea discontinua indica la energía potencial inicial del sistema (cuando
la distancia entre los átomos puede considerarse infinita) y la diferencia
entre la energía potencial inicial y la del estado de máxima estabilidad cuando
las fuerzas atractivas y repulsivas están equilibradas es de 104 kcal/mol. El
valor de ésta es la energía que se desprende al formarse el enlace y que es
la misma que se necesitaría suministrar al sistema para romper el enlace
covalente, llevando ambos átomos hasta una separación infinita. por ello,
este valor recibe el nombre de energía de disociación de enlace.
Finalmente, r es la distancia existente entre los dos núcleos
(distancia internuclear) de ambos átomos de hidrógeno en el momento del
equilibrio y recibe el nombre de longitud de enlace, que en el caso de
la molécula de hidrógeno vale 0.74 Å. A esta distancia el solapamiento entre
los orbitales atómicos 1s de los dos átomos de hidrógeno es el máximo
posible, pues un mayor solapamiento y acercamiento provoca un rápido aumento
de la energía potencial tal como muestra el gráfico. Aunque
según la teoría del enlace de valencia los dos orbitales atómicos solapados
conservan su identidad, como los dos electrones son atraídos por los dos
núcleos, que es lo que realmente hace de nexo de unión, la probabilidad de
encontrarlos es máxima en el espacio situado entre ambos núcleos, por lo que
la imagen que del enlace covalente da la teoría del enlace de valencia no es
muy distinta de la que proporciona la teoría de Lewis. Sin embargo, la
diferencia está en que para Lewis cualquier enlace covalente se forma
de igual manera, mediante una compartición de electrones, olvidándose de los
aspectos energéticos descritos en la teoría del enlace de valencia que son
los responsables de que cada enlace covalente tenga entidad propia. En cada
caso, el punto de equilibrio entre las fuerzas atractivas y repulsivas o
mínimo de energía potencial será distinto y dependerá de la naturaleza de los
átomos y orbitales que se solapen. Así,
en la formación de la molécula de fluoruro de hidrógeno es el orbital s
de un átomo de hidrógeno el que se solapa con uno cualquiera de los tres
orbitales atómicos p equivalentes del átomo de flúor:
Como
los orbitales p son bilobulados de signos opuestos y, por
consiguiente, con un plano nodal central, el enlace se forma por solapamiento
del orbital s del átomo de hidrógeno con el lóbulo del orbital p
de su mismo signo. El lóbulo no implicado en el solapamiento disminuye
sensiblemente de tamaño lo que significa que, como en la molécula de
hidrógeno, también la mayor densidad electrónica se encuentra entre los
núcleos de los átomos de hidrógeno y de flúor. La situación es muy similar a
la de la molécula de hidrógeno, aunque no idéntica, como pone de manifiesto
que la energía de disociación del enlace hidrógeno-flúor es de 568 kJ/mol y
la longitud de enlace de 92 pm. También
es posible la interacción o solapamiento frontal de dos orbitales p
tal como ocurre en la formación de la molécula de flúor:
Como
en el caso de la molécula de fluoruro de hidrógeno, el solapamiento se
produce entre los lóbulos del mismo signo de cada orbital p, mientras
que los del otro signo disminuyen considerablemente de tamaño por estar la
máxima probabilidad de encontrar los electrones del enlace entre los dos
núcleos de flúor. En este caso, el solapamiento de los dos orbitales es menor
y, consecuentemente, menor es la energía de disociación de enlace (151
kJ/mol). La longitud de enlace es de 142 pm. De
igual manera que se forman moléculas diatómicas por solapamiento de orbitales
entre dos átomos, la teoría del enlace de valencia considera que las
moléculas poliatómicas son el resultado de la formación de varios enlaces por
solapamiento de orbitales pertenecientes a varios átomos, pudiendo un mismo
átomo aportar dos o más orbitales. Sin embargo, estos solapamientos deben
explicar también la forma o geometría de la molécula, lo que exige utilizar
el concepto de la hibridación de orbitales. |