XV. LA FORMACI�N DE LAS MOL�CULAS

EN LA descripci�n que acabamos de hacer insistimos mucho en la actividad qu�mica de los �tomos, es decir, en su capacidad para formar compuestos, o sea mol�culas. Trataremos ahora de entender un poco m�s c�mo interact�an los �tomos.

Tomemos un hal�geno, como el cloro, y acerqu�moslo a un alcalino, como el sodio. Si el electr�n m�s alejado del n�cleo en este �ltimo se transfiere al cloro, los dos �tomos perder�n su car�cter neutro. Tendremos un ion negativo frente a un ion positivo. Existir� entonces una fuerza el�ctrica atractiva, gracias a la cual quedar�n unidos para formar una mol�cula de cloruro de sodio. Cuando un �tomo deseoso de ceder electrones se encuentra con otro �vido de ganarlos, se llega a una simbiosis perfecta. Un �tomo cede un electr�n tan gustosamente como el otro lo recibe. A ra�z de este intercambio de electrones, ambos �tomos quedan ionizados y se atraen. La fuerza atractiva no logra colapsarlos, sin embargo, porque si se acercan demasiado, las nubes de electrones internos empiezan a entrar en acci�n y se hacen cargo de repelerse. Tal repulsi�n el�ctrica compensa la atracci�n hasta llegar a una posici�n de equilibrio, la cual define a la mol�cula. Este tipo de enlace qu�mico, debido a la atracci�n electrost�tica entre iones, se llama muy apropiadamente enlace i�nico.

No toda las mol�culas se forman mediante enlaces i�nicos. En general podr�amos decir que los �tomos formar�n mol�culas si de alguna manera sus nubes de carga electr�nica se sobreponen para que los n�cleos las atraigan, logrando que la energ�a final de la combinaci�n de �tomos sea menor que la suma de energ�as de los sistemas aislados. El enlace llamado covalente se da cuando las regiones de mayor densidad de carga electr�nica se localizan entre dos n�cleos. Con ello, los electrones correspondientes se ven fuertemente atra�dos por ambos n�cleos. En este tipo de enlace, los electrones son compartidos por los n�cleos y no repartidos entre ellos como en el enlace i�nico. Seg�n el n�mero de electrones que se comparten, las ligaduras covalentes se clasifican en ligadura simple, doble o triple. En la primera son dos electrones compartidos, en la segunda cuatro y en la triple ligadura se comparten seis electrones. Siempre se involucran los electrones por parejas, pues el esp�n del electr�n tiene dos orientaciones.

El enlace i�nico carece de una direcci�n privilegiada, pues la fuerza entre dos cargas el�ctricas sólo depende la distancia entre ellas: tiene simetr�a esf�rica. El enlace covalente, por su parte, ser� direccional y pueden darse mol�culas con diversas geometr�as, dependiendo de la direcci�n de las ligaduras. Existen entonces mol�culas planas como el etileno y piramidales como el amoniaco. Veremos luego c�mo esto nos explica que ciertos s�lidos sean quebradizos y otros d�ctiles.

Los enlaces que hasta aqu� hemos descrito implican un equilibrio muy delicado entre las nubes electr�nicas. Existe otro tipo de enlace que se puede dar con muchos �tomos cuando �stos tienen algunos electrones d�bilmente ligados al n�cleo. Al juntar muchos �tomos, los electrones menos localizados forman una nube extensa de carga negativa, en la cual se embeben los iones positivos. Esa nube electr�nica permite que los iones se unan, formando lo que se conoce como un metal.

Tenemos pues tres tipos de enlace qu�mico: el i�nico, el covalente y el met�lico. Como veremos, esto nos ayudar� a entender muchas propiedades de los materiales en t�rminos de la estructura electr�nica de los �tomos que los forman. Sin embargo, a�n falta una pieza del rompecabezas que estamos empe�ados en armar: �c�mo es que dos �tomos neutros se atraen, para lograr que sus nubes electr�nicas se sobrepongan y tenga lugar el enlace qu�mico?

Los �tomos son el�ctricamente neutros. Si se le observa a gran distancia, la carga positiva del n�cleo se apantalla por la carga negativa de la nube electr�nica. Sin embargo, los electrones se mueven mucho m�s que el n�cleo, fluctuando as� la posici�n de la nube electr�nica y desplazando el centro de la carga negativa con respecto al n�cleo positivo. Se crea entonces lo que se conoce como un dipolo el�ctrico, formado por dos cargas de igual magnitud y de signo opuesto separadas por una cierta distancia. Estos dipolos son ef�meros: se crean y desaparecen, seg�n fluct�a la posici�n de la nube electr�nica. Lo importante para nuestros prop�sitos es que dos de estos dipolos, colocados frente a frente, pueden atraerse. Lo cual permite que los �tomos, aunque neutros, interact�en a distancia y se atraigan.

Como vemos, la uni�n de dos o m�s �tomos para formar una mol�cula tiene siempre su origen en la redistribuci�n de las nubes de carga entre los n�cleos. Es decir, se da una variaci�n local de la densidad de carga electr�nica en el �tomo y, por tanto, en la mol�cula. En consecuencia, algunas mol�culas pueden tener un dipolo permanente. Otras, en cambio, ser�n tan sim�tricas que no muestren ese dipolo y se comporten el�ctricamente como si fueran neutras, en forma similar a los gases nobles. Sin embargo, sean polares o no, en todas las mol�culas se dan las fluctuaciones en la localizaci�n de las nubes de carga, como antes vimos en el caso de los �tomos. Por ser m�s extensas que estos, las fluctuaciones de carga son mayores, lo que da por resultado que haya una fuerza atractiva entre ellas. Por otro lado, una mol�cula polar enfrente de una no-polar, distorsiona la nube de carga de esta �ltima, polariz�ndola. En otras ocasiones puede haber atracci�n entre ambas. Y, finalmente, dos moléculas polares se atraerán como lo hacen dos dipolos eléctricos. A la fuerza atractiva atractiva entre dos moléculas, originada por la interacci�n entre dos dipolos el�ctricos sean permanentes o inducidos de Van der Waals, en honor a quien fue el primero en tratarla. Aunque muy comunes, las fuerzas de Van der Waals no tienen en la f�sica la misma jerarqu�a que la fuerza gravitacional o las fuerzas electromagn�ticas pues, como vemos, son resultado de la acci�n de estas �ltimas. En otros t�rminos, no son interacciones fundamentales, sino derivadas.

La atracci�n entre mol�culas polares desempe�a un papel crucial para entender muchos fen�menos de la materia, sobre todo en gases y l�quidos. Sabemos, por ejemplo, de la tensi�n superficial que, entre otros efectos, produce una fuerza que impone forma esf�rica a una gota de l�quido o a una pompa de jab�n. El agua est� formada de mol�culas polares, resultado del enlace covalente de un �tomo de hidr�geno y dos de ox�geno. Dado su car�cter polar, las mol�culas de agua se encadenan en la superficie del l�quido, lo que se traduce en la tensi�n superficial. Las nubes de vapor de agua, con formas caprichosas que cambian pero no se dispersan, tienen su origen en estas fuerzas polares, as� como la capa delgad�sima que forma un lubricante entre dos piezas s�lidas que se friccionan dentro de un motor.

Hemos recorrido a vuelo de p�jaro el largo camino que la humanidad curs� en muchos siglos de observaci�n, experimentaci�n y elucubraciones te�ricas. Hemos descrito c�mo las ideas cu�nticas dan la base para entender las propiedades de los �tomos y de ah� las de las mol�culas. Como toda respuesta buena a un problema, la mec�nica cu�ntica gener� nuevos problemas, m�s interesantes a�n, algunos de los cuales se siguen atacando hoy sin haberse hallado la soluci�n completa. En el caso particular de la f�sica at�mica y molecular, muchos de estos problemas son de inter�s en la actualidad, no s�lo por su importancia b�sica para entender a la materia, sino por sus posibilidades de aplicaci�n. Tales estudios forman la base de toda la qu�mica y sus aplicaciones industriales. Para entender procesos como las reacciones qu�micas, la cat�lisis, y aun los procesos biol�gicos, es necesario conocer las propiedades de los �tomos y las mol�culas. Este conocimiento debe ser muy preciso para que sea �til. En consecuencia, miles de f�sicos y qu�micos de todo el mundo se dedican a esta rama de la ciencia, una de las m�s activas actualmente.

El problema que se plantean los investigadores at�micos es colosal. Intentan describir las propiedades de muchos electrones que no s�lo son atra�dos por el n�cleo del �tomo al que pertenecen sino que se repelen entre s�, y son atra�dos por otros n�cleos. Adem�s, puesto que los electrones y el n�cleo son objetos microsc�picos, las leyes aplicables son las de la mec�nica cu�ntica. Nos percatamos de la magnitud de la tarea si nos damos cuenta que aun el problema de tres cuerpos macrosc�picos no ha sido resuelto en su totalidad. Los f�sicos han debido recurrir, pues, a modelos de la realidad at�mica, que a menudo involucran simplificaciones muy extremas. Un ejemplo, es el modelo de capas at�mico que antes describimos y con el cual pudimos entender grosso modo las propiedades de la tabla peri�dica de los elementos.