¿Qué es el enlace químico y cómo se interpreta actualmente?

Esta semana el tema elegido ha sido el enlace químico, un tema que aparentemente es sencillo pero mucho más complicado de lo que aparentemente podría parecer. Empezamos...

La Teoría de Lewis

Esta teoría fue propuesta por Gilbert Newton Lewis en 1916 en el artículo "La molécula y el átomo". Esta teoría consta en poner alrededor de un átomo un número de puntos tanto como electrones tenga en su última capa. A partir de aquí, se trata de que, compartiendo los electrones seamos capaces de dar a cada átomo 8 electrones. Esta regla se conoce como La regla del octete. Si se comparten un par de electrones se dice que tienen un enlace sencillo, si se comparten 4 electrones es un enlace doble y así sucesivamente.

A partir de aquí se fue capaz de justificar las relaciones estequiométricas observadas entre los átomos y poder predecir las fórmulas de compuestos que entonces no se conocían. Aún así, no es capaz de justificar la mayoría de propiedades, como forma, propiedades eléctricas, magnéticas o de color.

La Teoría del Mar de Electrones

Esta teoría fue propuesta para justificar las propiedades de los metales. Esta teoría supone que todos los metales son átomos que han perdido los electrones de la última capa, permaneciendo como iones positivos inmersos en un mar de electrones. Este mar o nube de electrones mantiene los iones unidos. Las justificaciones de este modelo son un poco "flojas" ya que los iones se repelerían. Intenta explicar de una manera muy somera las propiedades electricas y térmicas de los compuestos metálicos.

La Teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia (TRPECV)

Esta teoría se basa en unir los átomos como en la teoría de Lewis pero teniendo en cuenta los orbitales atómicos. Éstos únicamente se pueden combinar si cumplen criterios de simetría. Si este solapamiento es frontal, se denomina sigma (σ); mientras que si el solapamiento es lateral se denomina pi (π). Puede haber un enlace sigma y dos pi, haciendo un total de 3 enlaces entre dos átomos.

Además, teniendo en cuenta la repulsión electrónica entre orbitales llenos así como la combinación matemática entre ellos para formar orbitales nuevos (hibridación) se puede obtener de manera relativamente sencilla la forma y la distribución atómica espacial en una molécula. Aún así hay muchas propiedades en las que falla, como en el comportamiento magnético del O2, o en otras como en el color, del que no es capaz de predecirlo.

La teoría del campo del cristal

Esta teoría (menos conocida) fue desarrollada para un cierto tipo de compuestos, los complejos metálicos, en los que dependiendo de cómo se aproximen los ligandos se pueden modificar los niveles d de los átomos metálicos de manera que con la energía de ese desdoblamiento se es capaz de explicar el color y propiedades magnéticas. La pega de esta teoría radica precisamente en que únicamente vale para complejos metálicos, no es aplicable al resto de moléculas.

La teoría de orbitales moleculares

Esta teoría es la que se emplea en la actualidad y también la más compleja de todas. Permite explicar moléculas, materiales metálicos e iónicos que no podían ser explicados por las teorías anteriores. Esta teoría se basa en combinar los orbitales atómicos de las últimas capas de los átomos. Esto supone que al combinar dos orbitales atómicos surgen dos orbitales moleculares, uno enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de mayor energía). Dependiendo de cómo se coloquen los electrones el enlace será más o menos fuerte. 

El principal problema de este modelo es la complejidad para obtener resultados, siendo necesario mucho tiempo (incluso semanas) de cálculo computacional para la obtención de estructuras. Igualmente, las geometrías y energías pueden no necesitarse con tanta precisión, habiéndose desarrollado modelos alternativos basados en físicas más sencillas. Este modelo aplicado completamente permite predecir comportamientos eléctricos, magnéticos, colores, formas e infinidad de energías necesarias para la caracterización de la molécula (UV, IR, RMN, etc).

Actualmente este modelo se usa no sólo para moléculas sino también para metales y compuestos iónicos, dando lugar a la teoría de bandas, que surge de aplicar la teoría de orbitales moleculares a redes (casi) infinitas.

Pues con este breve resumen lo dejamos esta semana. Si tienes dudas, preguntas o quieres ampliar cualquiera de las teorías sólo tienes que pedirlo. Para eso y más puedes utilizar también los comentarios en Facebook e Instagram.

Nos vemos!!

Cromatografía de gases (GC): Principios y comparación con HPLC

Buenas! Es este blog hemos hablado mucho de cromatografía líquida pero muy poco de cromatografía de gases. Los principios fisicoquímicos de separación son los mismos pero la instrumentación e interacciones son ligeramente diferentes. Empezamos...

¿Qué es la cromatografía de gases?

Como ya hemos explicado en muchos post anteriormente, la cromatografía es una técnica de separación basada en la diferente afinidad de un compuesto por dos fases, una estacionaria y otra móvil que circula por su superficie. La principal diferencia de la cromatografía de gases radica en que la fase móvil es un gas, frente a la cromatografía de líquidos que la fase móvil es un líquido (muy obvio).

Debido a que es un gas, las interacciones con el analito son mínimas, de hecho se intenta que sean nulas, y que únicamente sea soluble porque los gases tienden a mezclarse. Por tanto. esta fase móvil no interaccionante se va a denominar "gas portador" ya que únicamente transporta la muestra sin interaccionar con ella. Esta es una de las grandes diferencias con la cromatografía de líquidos y que permite que los picos sean mucho más estrechos (aunque esto ya lo explicaré otro dia con más detalle, lo podéis sugerir en los comentarios). Los gases portadores más empleados son el N₂ y el He, aunque en casos  especiales se puede emplear H₂, aunque hay que tener cuidado con la mala costumbre que tiene de explotar al estar en contacto con el aire (como a la salida de la columna), a presión y a temperaturas altas (más de 200ºC), por eso no se usa tanto.

Otra de las principales diferencias está en el tipo de columnas. En cromatografía de gases se suelen usar columnas capilares muy largas (entre 20 y 50 metros). Si comparamos este tipo de columnas con las utilizadas en los cromatografos de líquidos más modernos (UPLC) se ve que la tendencia es totalmente opuesta, el empleo de columnas rellenas y de longitudes mínimas (de aproximadamente 5 cm). Esta gran diferencia se basa en las propiedades físicas de los gases, principalmente en su viscosidad y su difusividad, que permiten que el flujo de los gases a través de espacios pequeños sea más fácil y que las moléculas les cueste menos moverse.

¿Qué diferencias principales hay en la instrumentación?

Supongo que esta pregunta que en principio puede parecer bastante trivial, ya que la manera de trabajar con un líquido o un gas son relativamente obvias, hay otros muchos aspectos que no lo son tanto y vamos a ver los más importantes.

El primero es que para impulsar un líquido a través de un espacio muy pequeño (como el que queda entre las partículas del relleno de la columna) hace falta una presión enorme, por lo que la bomba es una de las partes más importante. Por contra, los gases suelen venderse comercialmente a presión, haciendo que la bomba sea poco útil, ya que esta presión es más que suficiente para hacer que el gas circule.

La segunda es la manera de introducir la muestra. En líquidos vimos que esto se hace a través de válvulas de presión que permiten introducir líquidos a presión ambiental en sistemas a alta presión debido a la mínima compresibilidad de los líquidos. Como en los gases no es así, las inyecciones se realizan en un pequeño volumen a alta temperatura, para que si se introduce un liquido volátil se produzca una evaporación instantánea (evaporación flash) y que los gases que se puedan inyectar calientes no condensen. Además muchos inyectores pueden realizar diluciones mediante los sistemas split, que separan parte de la inyección e inyectan el resto, pudiéndose realizar inyecciones reproducibles con relaciones 1:1000 (uno se inyecta 1000 se desechan).

La última radica en la manera de realizar los gradientes. En cromatografía líquida se realizan incrementando la proporción de modificador orgánico, no siendo posible esto en gases porque el gas ni siquiera interacciona con el analito. Este gradiente se realiza con la temperatura de la columna, estimándose que la retención se reduce a la mitad cada 30ºC, así que con una diferencia de temperatura progresiva (rampa) entre dos temperaturas muy diferentes (habitualmente casi 200ºC) pueden separarse compuestos muy diversos.


Este post ya está quedando bastante largo, por lo que hoy lo vamos a dejar aquí. Si queréis alguna aclaración, duda, ampliar contenido o cualquier otra cosa lo podéis hacer en los comentarios de abajo, en Facebook o en Instagram (ambos @callofchemistry).

Nos vemos la semana que viene!!