XV. LA FORMACIÓN DE LAS MOLÉCULAS

EN LA descripción que acabamos de hacer insistimos mucho en la actividad química de los átomos, es decir, en su capacidad para formar compuestos, o sea moléculas. Trataremos ahora de entender un poco más cómo interactúan los átomos.

Tomemos un halógeno, como el cloro, y acerquémoslo a un alcalino, como el sodio. Si el electrón más alejado del núcleo en este último se transfiere al cloro, los dos átomos perderán su carácter neutro. Tendremos un ion negativo frente a un ion positivo. Existirá entonces una fuerza eléctrica atractiva, gracias a la cual quedarán unidos para formar una molécula de cloruro de sodio. Cuando un átomo deseoso de ceder electrones se encuentra con otro ávido de ganarlos, se llega a una simbiosis perfecta. Un átomo cede un electrón tan gustosamente como el otro lo recibe. A raíz de este intercambio de electrones, ambos átomos 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 acción y se hacen cargo de repelerse. Tal repulsión eléctrica compensa la atracción hasta llegar a una posición de equilibrio, la cual define a la molécula. Este tipo de enlace químico, debido a la atracción electrostática entre iones, se llama muy apropiadamente enlace iónico.

No toda las moléculas se forman mediante enlaces iónicos. En general podríamos decir que los átomos formarán moléculas si de alguna manera sus nubes de carga electrónica se sobreponen para que los núcleos las atraigan, logrando que la energía final de la combinación de átomos sea menor que la suma de energías de los sistemas aislados. El enlace llamado covalente se da cuando las regiones de mayor densidad de carga electrónica se localizan entre dos núcleos. Con ello, los electrones correspondientes se ven fuertemente atraídos por ambos núcleos. En este tipo de enlace, los electrones son compartidos por los núcleos y no repartidos entre ellos como en el enlace iónico. Según el número 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 espín del electrón tiene dos orientaciones.

El enlace iónico carece de una dirección privilegiada, pues la fuerza entre dos cargas eléctricas sólo depende la distancia entre ellas: tiene simetría esférica. El enlace covalente, por su parte, será direccional y pueden darse moléculas con diversas geometrías, dependiendo de la dirección de las ligaduras. Existen entonces moléculas planas como el etileno y piramidales como el amoniaco. Veremos luego cómo esto nos explica que ciertos sólidos sean quebradizos y otros dúctiles.

Los enlaces que hasta aquí hemos descrito implican un equilibrio muy delicado entre las nubes electrónicas. Existe otro tipo de enlace que se puede dar con muchos átomos cuando éstos tienen algunos electrones débilmente ligados al núcleo. Al juntar muchos átomos, los electrones menos localizados forman una nube extensa de carga negativa, en la cual se embeben los iones positivos. Esa nube electrónica permite que los iones se unan, formando lo que se conoce como un metal.

Tenemos pues tres tipos de enlace químico: el iónico, el covalente y el metálico. Como veremos, esto nos ayudará a entender muchas propiedades de los materiales en términos de la estructura electrónica de los átomos que los forman. Sin embargo, aún falta una pieza del rompecabezas que estamos empeñados en armar: ¿cómo es que dos átomos neutros se atraen, para lograr que sus nubes electrónicas se sobrepongan y tenga lugar el enlace químico?

Los átomos son eléctricamente neutros. Si se le observa a gran distancia, la carga positiva del núcleo se apantalla por la carga negativa de la nube electrónica. Sin embargo, los electrones se mueven mucho más que el núcleo, fluctuando así la posición de la nube electrónica y desplazando el centro de la carga negativa con respecto al núcleo positivo. Se crea entonces lo que se conoce como un dipolo eléctrico, formado por dos cargas de igual magnitud y de signo opuesto separadas por una cierta distancia. Estos dipolos son efímeros: se crean y desaparecen, según fluctúa la posición de la nube electrónica. Lo importante para nuestros propósitos es que dos de estos dipolos, colocados frente a frente, pueden atraerse. Lo cual permite que los átomos, aunque neutros, interactúen a distancia y se atraigan.

Como vemos, la unión de dos o más átomos para formar una molécula tiene siempre su origen en la redistribución de las nubes de carga entre los núcleos. Es decir, se da una variación local de la densidad de carga electrónica en el átomo y, por tanto, en la molécula. En consecuencia, algunas moléculas pueden tener un dipolo permanente. Otras, en cambio, serán tan simétricas que no muestren ese dipolo y se comporten eléctricamente como si fueran neutras, en forma similar a los gases nobles. Sin embargo, sean polares o no, en todas las moléculas se dan las fluctuaciones en la localización de las nubes de carga, como antes vimos en el caso de los átomos. Por ser más 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 molécula polar enfrente de una no-polar, distorsiona la nube de carga de esta última, polarizándola. En otras ocasiones puede haber atracción 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 interacción entre dos dipolos eléctricos 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 física la misma jerarquía que la fuerza gravitacional o las fuerzas electromagnéticas pues, como vemos, son resultado de la acción de estas últimas. En otros términos, no son interacciones fundamentales, sino derivadas.

La atracción entre moléculas polares desempeña un papel crucial para entender muchos fenómenos de la materia, sobre todo en gases y líquidos. Sabemos, por ejemplo, de la tensión superficial que, entre otros efectos, produce una fuerza que impone forma esférica a una gota de líquido o a una pompa de jabón. El agua está formada de moléculas polares, resultado del enlace covalente de un átomo de hidrógeno y dos de oxígeno. Dado su carácter polar, las moléculas de agua se encadenan en la superficie del líquido, lo que se traduce en la tensión superficial. Las nubes de vapor de agua, con formas caprichosas que cambian pero no se dispersan, tienen su origen en estas fuerzas polares, así como la capa delgadísima que forma un lubricante entre dos piezas sólidas que se friccionan dentro de un motor.

Hemos recorrido a vuelo de pájaro el largo camino que la humanidad cursó en muchos siglos de observación, experimentación y elucubraciones teóricas. Hemos descrito cómo las ideas cuánticas dan la base para entender las propiedades de los átomos y de ahí las de las moléculas. Como toda respuesta buena a un problema, la mecánica cuántica generó nuevos problemas, más interesantes aún, algunos de los cuales se siguen atacando hoy sin haberse hallado la solución completa. En el caso particular de la física atómica y molecular, muchos de estos problemas son de interés en la actualidad, no sólo por su importancia básica para entender a la materia, sino por sus posibilidades de aplicación. Tales estudios forman la base de toda la química y sus aplicaciones industriales. Para entender procesos como las reacciones químicas, la catálisis, y aun los procesos biológicos, es necesario conocer las propiedades de los átomos y las moléculas. Este conocimiento debe ser muy preciso para que sea útil. En consecuencia, miles de físicos y químicos de todo el mundo se dedican a esta rama de la ciencia, una de las más activas actualmente.

El problema que se plantean los investigadores atómicos es colosal. Intentan describir las propiedades de muchos electrones que no sólo son atraídos por el núcleo del átomo al que pertenecen sino que se repelen entre sí, y son atraídos por otros núcleos. Además, puesto que los electrones y el núcleo son objetos microscópicos, las leyes aplicables son las de la mecánica cuántica. Nos percatamos de la magnitud de la tarea si nos damos cuenta que aun el problema de tres cuerpos macroscópicos no ha sido resuelto en su totalidad. Los físicos han debido recurrir, pues, a modelos de la realidad atómica, que a menudo involucran simplificaciones muy extremas. Un ejemplo, es el modelo de capas atómico que antes describimos y con el cual pudimos entender grosso modo las propiedades de la tabla periódica de los elementos.