1.1: Preludio a la unión química

Las moléculas (y los sólidos extendidos) se construyen a partir de átomos que forman enlaces químicos. Las teorías de unión buscan explicar por qué se forman las moléculas y los sólidos, cuáles son sus estructuras, por qué algunas son más estables que otras y cómo reaccionan. Como aprenderemos en el Capítulo 2, la mecánica cuántica nos da la imagen más realista de la unión química a través de la teoría de orbitales moleculares (MO). Sin embargo, la descripción MO de la unión es conceptualmente difícil y matemáticamente intensiva. Este capítulo revisará modelos menos rigurosos (pero aún útiles) como las estructuras de puntos de Lewis y la teoría de la repulsión de pares de electrones de concha de valencia (VSEPR). Cuando se combinan con una descripción mecánica cuántica cualitativa de la unión a través de los conceptos de hibridación orbital y resonancia, estos modelos simples pueden ayudarnos a comprender mucho sobre las estructuras, estabilidades y reacciones de moléculas inorgánicas.

Representación de bola y barra de unión química en las moléculas P ₄ O ₁₀ y P ₄ S ₁₀.

La teoría de la unión química tiene una larga historia, que se remonta a la antigua Grecia y a los atomistas Demócrito, Leucipo, y los epicúreos. Postularon la existencia de átomos inmutables moviéndose a través del vacío, e imaginaron que las propiedades físicas de los materiales surgieron de los tipos y formas de los átomos. En su poema épico De rerum natura (Sobre la naturaleza de las cosas), el poeta romano Lucrecio (c. 99 a.C. — c. 50 a.C.), sobre la base de sus creencias epicúreas, describe algunos átomos y enlaces químicos de la siguiente manera:

Lo que nos parece el endurecido y condensado
Debe ser de átomos entre ellos más enganchados,
Mantenerse compactado en lo profundo, como 'twere
Por átomos ramificados — de los cuales especie el jefe
Son piedras de diamante, despreciadores de todos los golpes
Y pedernal inquebrantable y fuerza de hierro sólido
Y barras de bronce, que, moviéndose duro en cerraduras,
Hacen rallar y gritar. Pero qué son líquidos, formados
De cuerpo fluido, en efecto deben ser
De elementos más lisos y redondos —porque
Sus glóbulos solidariamente no coherán.

El poema de Lucrecio es una lectura agradable y contiene algunas ideas notables sobre el mundo microscópico, dadas las herramientas disponibles en ese momento. Los métodos analíticos modernos muestran que estaba desbasado con sus ideas sobre ganchos y esferas, sin embargo. Revisaremos la naturaleza de la unión química en las sustancias que menciona Lucrecio (diamante, silicatos, hierro, latón y agua) en el contexto de las teorías químicas modernas para entender por qué tienen las propiedades especiales que tienen.