Fisicoquimica a la vida cap 3

7/21/2019 Fisicoquimica a la vida cap 3

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CAPITULO 3

ENLACE QUIMICO Y FUERZAS INTERMOLECULARES

El enlace químico es la fuerza que une los átomos cuando se forman las

moléculas, estas fuerzas de unión se originan por transferencia o por compartición de los electrones ubicados en las capas más externas, llamadoselectrones de valencia. Existen diferentes tipos de enlaces por medio de loscuales se pueden constituir infinidad de compuestos.

Enlace iónico

Es una fuerza de atracción electrostática entre partículas con cargas eléctricasopuestas, una positiva llamada catión y otra negativa llamada anión.Consideremos por eemplo la reacción entre el sodio y el cloro para formar cloruro de sodio. !a configuración electrónica del sodio es "s##s##p$%s", y ladel cloro es "s##s##p$%s#%p&' cuando estos átomos entran en contacto elelectrón %s del sodio se transfiere al cloro. !a reacción la podemos representar de la siguiente manera(

)a * Cl + )a*Cl

El )aCl que se forma en un sólido cristalino, a temperatura ambiente,constituido por un retículo en cuyo seno todos los iones están unidos por una

fuerte atracción electrostática. Como se puede apreciar en el eemplo anterior,un enlace iónico se forma por la transferencia total de electrones de un átomoa otro. El elemento electronegativo recibe los electrones y el electropositivo loscede.



Este tipo de enlace se presenta en átomos con gran diferencia deelectronegatividad, lo que da origen a un catión -* y a un anión -. El eemplo

de este tipo de enlaces es el cloruro de sodio -)aCl que acabamo/s demencionar.

0ecordemos que el porcentae de carácter iónico o covalente puede calcularse1aciendo la diferencia entre los valores de las dos electronegatividades. 2i ladiferencia de los valores de las electronegatividades de los el elementosenlazados es menor de ".3 se considera que el enlace es covalente pero si elvalor de esta diferencia es igual o mayor de ".3 se considera que el enlace esiónico y además polar, es decir que tiene centros de carga positiva y negativa.

4nas de las características más importantes de los compuestos iónicos son los

altos puntos de ebullición, debido a la formación de grandes estructurascristalinas, y el carácter de electrolito fuerte que estos poseen, entendiendopor un electrolito fuerte aquella sustancia que al ser disuelta en agua o e unfluido acuoso, como lo es la sangre y otros fluidos corporales, se disociatotalmente -"556, generando iones en solución -cationes * y aniones

7Cuántos electrones se transfieren8. !os necesarios para que cada átomoadquiera su máxima estabilidad, la cual se logra cuando el átomo registra unocteto de electrones en el 9ltimo nivel' esta regla se conoce como la regla elocteto y se puede considerar que siempre se cumple en el caso de lasmoléculas de interés biológico que están constituidas por átomos de bao peso.Nota! el 1idrógeno constituye una excep5ción ya que alcanza su máximaestabilidad cuando completa dos electrones en su 9ltimo nivel y adquiere laconfiguración del 1élio.

!o anterior implica que cuando se forman cationes y aniones nonecesariamente tienen la misma carga. :or eemplo cuando reaccionan(

Ca * Cl + Ca*# -Cl"# ó CaCl#

;g * ) + -;g

*#

%-)

%

# ó ;g%)#<ambién podemos encontrar iones poliatómicos, es decir, formados por dos omás átomos( 2=>

, Cr #=3#, )?>

*, etc.



Enlace covalente

El enlace covalente se forma cuando los átomos comparten electrones en vezde transferidos' esta compartición obedece, como ya se dio, a que laselectronegatividades en uego no tienen una diferencia tan marcada como paragenerar una transferencia neta.

!a creación o la destrucción de enlaces covalentes involucra grandes cambiosde energía, se 1a encontrado que la energía de enlace de las unionescovalentes generalmente esta por encima de 35 @calA mol -unos %55@uliosAmol' por eemplo, a #&BC, la energía requerida para romper un enlaceCC, en una molécula de etano, es de % @calAmol(

?%CC?% + ?%C * C?% DE * % @calAmol

Fonde DE representa la diferencia entre la energía total de los enlaces enlos reactantes y en los productos. El valor positivo indica que se necesitasuministrar energía para que la reacción tenga lugar. :or lo tanto para queocurra esta reacción es necesario que se le suministre energía desde unafuente externa..

!a tabla " presenta algunos enlaces covalentes y los respectivos valores deenergía de enlace.

=tra característica de los enlaces covalentes es que tienen una geometríaparticular, una orientación precisa en el espacio. Cuando dos o más átomosforman enlaces covalentes con otro átomo central, los enlaces adquieren y

mantienen una orientación con ángulos precisos. Estos ángulos se deben a lamutua repulsión de los orbitales electrónicos externos de los átomos. :or eemplo, en el metano, el átomo central es el carbono y está unido a cuatroátomos de 1idrógeno cuyas posiciones definen los cuatro puntos de untetra1edro regular, de tal manera que el ángulo entre cualquiera de los enlaceses de "5/,&B.



!a molécula de Cl# la podemos representar de la misma manera(

Cl * Cl + Cl ( Cl ó Cl H Cl

Enlace$ covalente$ $at#rao$ e in$at#rao$

Fe acuerdo con el n9mero de electrones compartidos el enlace covalentepuede ser(

2imple o saturado, cuando se comparte un solo par de electrones, unoaportado por cada átomo. 4n eemplo com9n de este enlace covalente simplese presenta e el ácido clor1ídrico -?Cl, en el cual se comparte un par de

electrones aportados por cada uno de los átomos. Como ya se mencionó, laforma en la cual se puede clasificar el carácter porcentual de un enlace se 1acepor medio de la diferencia de los valores de las electronegatividades' en elcaso del ?Cl es de 5./ -% para el Cl menos #." para el ?, este valor indica queel enlace tiene un carácter covalente polar.

El enlace covalente es insaturado cuando se comparte más de un par deelectrones o sea que 1ay dos o tres pares de electrones aportados por losátomos. 4n eemplo clásico que ilustra este tipo de enlace es la molécula deoxígeno diatómico, compuesto que posee una estructura lineal en la cual dosátomos de oxígeno se enlazan por medio de un enlace doble o sea que secomparten dos pares de electrones así ==. En este caso el enlace es nopolar, ya que los elementos enlazados tienen igual electronegatividad. Estemismo tipo de enlace también se presenta en el dióxido de carbono - C=# , enel cual existen dos enlaces insaturados sobre el átomo de carbono 5C5.

Cuando se comparten tres pares de electrones se dice que el enlace es triple' ypuede ser polar si los átomos enlazados tienen electronegatividad diferente, ono polar si ésta es igual. Este caso puede ser eemplificado con la molécula de

nitrógeno que está compuesta por # átomos de nitrógeno enlazados entre sípor tres pares de electrones ) G ). )ótese que en ambos átomos denitrógeno quedan dos electrones libres que no se enlazan' a estos electronesse les conoce como pares solitarios o electrones de no enlace. Existen enlacestriples polares como sucede en el caso del cianuro de potasio, sal inorgánicaque act9a como veneno potente al in1ibir el sistema respiratorio Fellamitocondria. !a estructura de este compuesto es IC G ) .



Enlace$ covalente$ -olare$ . no -olare$

En muc1os casos los átomos que 1acen parte del enlace covalente eercen unaatracción diferente por los electrones que participan en el enlace, resultando deello una compartición desigual. Esto se debe a la diferencia deelectronegatividad entre los átomos.

En un enlace covalente, en el cual los átomos tienen igual o similar electronegatividad, los electrones se comparten de manera equitativa y eneste caso el enlace se denomina no polar, como por eemplo CC y C?. 2inembargo, si los dos átomos tienen una diferencia de electronegatividad, elenlace se denomina polar, de tal manera que un extremo tendrá una cargaligeramente negativa -d, mientras que el otro tendrá una carga ligeramente

positiva -d*. :or eemplo, en una molécula el agua, el oxígeno, con unaelectronegatividad de %.& atrae los electrones que participan del enlace conmayor fuerza que los electrones que participan del enlace con mayor fuerzaque los 1idrógenos, cada uno de los cuales tiene una electronegatividad de #,"'por lo tanto, los electrones del enlace están más tiempo alrededor del átomo deoxígeno que alrededor de los átomos de 1idrógeno. 4na molécula como elagua, que tiene una separación neta de cargas positivas y negativas, puedepresentar un momento bipolar neto, si su geometría lo permite.

!a tabla # presenta eemplos de enlaces covalentes polares y no polares.

Enlace$ covalente$ coorinao$ o ativo$

Fependiendo del átomo o átomos que aporten electrones los enlaces puedenser(

Covalentes normales( en este tipo de enlace los electrones compartidos son

aportados en igual proporción por los átomos enlazados, tal y como ocurre enlos siguientes casos(

5# -55, )# -)), ?# -??, ?Cl -?Cl



Ta"la / E0e*-lo$ e enlace$ covalente$ -olare$ . no -olare$

NO POLAR NO POLAR ENLACE %IPOLAR

J* J1 2 1 F 2 F 1 2 Cl

E #." #." >.5 >.5 #." %.5

DE #."#." 5 DE #."#." 5 DE %.5 #." 5./

Covalentes coordinados o dativos. En este caso el enlace se presenta por intermedio de un par electrónico que es aportado por uno de los átomosenlazados sin que el otro 1aga su aporte. El átomo que aporta debe tener unoo varios pares libres disponibles para este efecto. :or eemplo, durante laformación del ión amonio(

)?% * ? + )?>*

En el grupo 1emo que 1ace parte de proteínas como 1emoglobina ymioglobina, también ocurre un enlace covalente dativo del 1ierro con dos delos cuatro átomos de nitrógeno del anillo de porfirina.

Interaccione$ no covalente$ 4#er5a$ inter*olec#lare$

El estado de una sustancia depende en gran medida del balance entre lasenergías cinéticas de las partículas y las energías de atracción entre estas

mismas partículas. !as energías cinéticas tienden a separar las partículas y amantenerlas en movimiento, esta energía cinética depende de la temperaturaa la que se encuentre la sustancia.:or su parte las atracciones entre las partículas tienden a mantenerlasreunidas.



!os gases consisten en una colección de moléculas separadas por grandesdistancias y en un movimiento caótico permanente. !a energía cinéticapromedio de esas moléculas es muc1o mayor que la energía promedio deatracción entre ellas. Esto permite que el gas se expanda lo suficiente paraocupar cualquier recipiente.

!os líquidos tienen fuerzas de atracción intermoleculares lo suficientementefuertes para mantener untas a las moléculas. Esto 1ace que los líquidos seanmuc1o más densos y menos comprensibles que los gases' además tienen unvolumen definido, independiente del tamaKo y la forma del recipiente. 2inembargo, las fuerzas de atracción en los líquidos no tienen la intensidadsuficiente para evitar que las moléculas se desplacen unas respecto a otras.

Esto permite que los líquidos puedan asumir la forma de su recipiente yverterse de uno a otro espacio.

En los sólidos las fuerzas de atracción intermoleculares son lo bastanteintensas no solo para mantener untas las moléculas, sino también parafiarlas en su sitio. Esto 1ace que no 1alla muc1o espacio libre entre lasmoléculas y por lo tanto no sean muy comprensibles.

!as fuerzas intermoleculares son las que determinan el estado que adquiereuna sustancia. Lunque la intensidad de dic1as fuerzas varía dentro de unintervalo amplio, generalmente son muc1o más débiles que los enlacescovalentes o iónicos. :or eemplo, se requieren %. @cal A mol -"$ @ A mol para vencer las atracciones intermoleculares entre las moléculas de ?Cl en el?Cl líquido y vaporizarlo ' mientras que la energía requerida para romper elenlace covalente y disociar el ?Cl en los átomos de ? y Cl es de "5% @calAmol->%" @Amol.

Marias de las propiedades de los líquidos dependen de la intensidad de lasfuerzas intermoleculares. 4na de estas es el punto de ebullición( lasmoléculas que constituyen un líquido deben vencer las fuerzas de atracciónpara separarse y formar un vapor. L mayor intensidad de las fuerzas de

atracción, más alta será la temperatura a la que el liquido 1ierve. Fe igualmanera el punto de fusión de un sólido se eleva a medida que aumenta laintensidad de las fuerzas intermoleculares.



!as macromoléculas que 1acen parte de la estructura y función de los seresvivos son estructuras gigantes para la escala molecular y se mantienen unidaspor medio de enlaces covalentes fuertes. 2in embargo, el enlace covalentepor sí solo no permite explicar la compleidad de las estructuras moleculares delos sistemas vivos. :or lo tanto son otro tipo de interacciones muc1o más

débiles, las que explican la estructura dinámica y las características funcionalesde tales sistemas biológicos. Estas interacciones débiles se forman entreiones, moléculas y partes de moléculas y son denominadas interacciones ofuerzas no covalentes.

En una secuencia lineal de una proteína o de un ácido nucleico, por eemplo,los átomos se mantienen unidos por los enlaces covalentes que ocurren entreellos' sin embargo, estas macromoléculas adquieren una estructuratridimensional muy específica, la cual se estabiliza por las interacciones nocovalentes que ocurren entre diferentes partes de la molécula. L su vez las

proteínas interact9an con otras moléculas, sean proteínas o ácidos nucleicos,para formar estructuras a9n más compleas, que dependen de esasinteracciones no covalentes. 2i aumentamos a un nivel mayor de compleidadcomo es el caso de la célula, podemos darnos cuenta que la membranaplasmática y el citoplasma celular son estructuras altamente organizadas, quese mantienen unidas gracias fundamentalmente a las interacciones nocovalentes.

!as interacciones no covalentes son fundamentales para los seres vivosprincipalmente por la energía que requieren para su formación. Como yamencionamos en un párrafo anterior, los enlaces covalentes tienen energía deenlace generalmente mayores de 35 IcalAmol, mientras las interacciones nocovalentes son "5 a "55 veces más débiles. En esto radica su importancia,pues el 1ec1o de ser débiles les permite romperse y volverse a formar continuamente. Esta dinámica depende de los intercambios rápidos de pareasmoleculares, los cuales no se producirían fácilmente si las fuerzasintermoleculares fueran tan fuertes que congelaran las moléculas en unaconformación y una localización determinada.

En los siguientes párrafos descubriremos las principales interacciones nocovalentes presentes en las estructuras biológicas.

Interaccione$ o -#ente$ e 6irógeno



El puente de 1idrógeno es un tipo especifico de interacción no covalente que esde importancia fundamental para comprender la estructura y función de lossistemas biológicos. !a estructura y propiedades del agua y de muc1as

moléculas biológicas dependen en gran medida de este tipo de interacción. 4npuente de 1idrógeno es una interacción entre un átomo de 1idrógeno que estaenlazado covalentemente con un grupo donador -por eemplo =? o )?, y unpar de electrones libres perteneciente a un grupo aceptor -por eemplo =C. Elátomo al que el 1idrógeno esta covalentemente enlazado se denomina donador del puente de 1idrógeno y el átomo con el par de electrones no enlazados sedenomina aceptor del enlace de 1idrógeno.

!a capacidad de un átomo para actuar como donador de puente de 1idrógeno

depende en gran medida de su electronegatividad. Cuanto maselectronegativo es el átomo donador, mas carga negativa extrae del 1idrógenoal cual esta enlazado. Fe este modo, el 1idrógeno se vuelve mas positivo y esatraído con más fuerza 1acia el par de electrones del aceptor. Entre los átomosque se encuentran en los compuestos biológicos, solo = y ) tienen laselectronegatividades apropiadas para comportarse como donadores, por estarazón los enlaces C? no forman puentes de 1idrógeno y sí los forman losenlaces =? y )?. El puente de 1idrógeno comparte algunas propiedadestanto de las uniones covalentes como de las no covalentes( en parte, es comouna interacción cargacarga entre la carga positiva parcial del ? y la carganegativa del par de electrones. :ero al mismo tiempo, también se compartenelectrones -igual que en un enlace covalente entre el ? y el aceptor. Estas dospropiedades se reflean en la longitud del enlace de 1idrógeno. 2e define lalongitud del enlace de 1idrógeno como la distancia centrocentro entre losátomos donador y aceptor. !a distancia entre el átomo de 1idrógeno y el átomoaceptor en un enlace de 1idrógeno es bastante más reducida que la quecabría esperar de sus radios de van der Naals. :or eemplo, la distancia entre? y = en el puente )? O =C es de solo 5."/ nm, mientras que la suma delos radios de van der Naals predice una distancia de 5.#$ nm. En cambio elenlace covalente ?= tiene una longitud de solo 5."5 nm. El puente de1idrógeno completo, incluyendo el enlace covalente con el nitrógeno, tiene una

longitud de 5.#/ nm.



!a energía de los puentes de 1idrógeno es notablemente superior a la mayoríade otras interacciones no covalentes, lo cual esta de acuerdo con su carácter parcialmente covalente. !os puentes de 1idrógeno al igual que los enlacescovalentes, son altamente direccionales( el puente de 1idrógeno donador tiende a apuntar directamente 1acia el par de electrones aceptores. !a

importancia de esta direccionalidad puede observarse en el papel quedesempeKan los puentes de 1idrógeno en la organización de una estructuraregular como la 1élice alfa en las proteínas, o en la doble 1élice de la moléculade F)L.

F#er5a$ ion2i-olo

!a fuerza ióndipolo se presenta cuando ocurre interacción entre un ión y la

carga parcial de un extremo de una molécula polar. !as moléculas polarestienen un extremo positivo y otro negativo, son bipolares' por eemplo, el aguaes una molécula bipolar debido a la diferencia de electronegatividad entreoxígeno y el 1idrógeno y a su geometría angulada.

Furante este tipo de interacción los iones positivos son atraídos 1acia elextremo negativo de un dipolo, mientras que los iones negativos son atraídos1acia el extremo positivo. !a magnitud de la atracción aumenta alincrementarse la carga el ión o la magnitud del momento bipolar

F#er5a$ i-olo2i-olo

2e establece una interacción dipolodipolo entre moléculas neutras polares.!as moléculas neutras se atraen cuando el extremo positivo de una de ellasesta cerca del extremo negativo de otra. Estas fuerzas dipolodipolo solotienen efecto cuando loas moléculas polares están muy cerca y por lo generalson más débiles que las ióndipolo. Existe una relación directa entre lamagnitud del momento dipolar y la intensidad de las interaccionesmoleculares, pues a mayor polaridad mayor fuerza de atracción.



F#er5a$ e i$-er$ión e Lonon 'i-olo in#cio2i-olo in#cio+

Cuando las moléculas no son polares se establecen otro tipo de interaccionesdistintas a las ióndipolo y dipolodipolo. Estas fueron descritas por el físico

Prite !ondon en "/%5, y ocurren como consecuencia del movimiento de loselectrones en un átomo o molécula que originan un momento bipolar instantáneo.

En un átomo sin carga, la distribución media de los electrones alrededor de sun9cleo es esféricamente simétrica' por lo tanto, este átomo no será polar y notendrá un momento bipolar permanente. 2in embargo la distribución de loselectrones es un momento dado -instantánea puede ser diferente, pues esposible que los electrones en ese momento estén distribuidosasimétricamente con respecto al n9cleo. En ese instante, el átomo tendria unmomento dipolar instantáneo. L su vez, este dipolo temporal en un átomo

puede inducir un dipolo similar en átomo cercano, y así conducir a unaatracción temporal entre estos dos átomos.

Esta fuerza de dispersión de !ondon, solo es importante cuando las moléculasestán muy cerca unas de las otras pero tiene un límite( si los átomos estándemasiado cerca se produce repulsión por la nube electrónica negativa. :or tanto existe una distancia crítica para que se produzca un balance entre laatracción por esta fuerza de dispersión y una repulsión por las nubeselectrónicas, a lo cual se 1a denominado contacto de van der Naals. Cada tipode átomo tiene un radio de van der Naals en el cual puede establecer atracción de este tipo con otros átomos.

4n factor que determina loa intensidad de esta fuerza de dispersión es eltamaKo del átomo o de la molécula. Esto ocurre porque mientras más grandesea la partícula mayor será el n9mero de electrones y los electrones estaránmás aleados del n9cleo, lo cual facilita que se distorsione la nube electrónicapara crear un dipolo momentáneo.

Estas fuerzas de dispersión son importantes en todas las moléculas, seanpolares o no polares. Fe 1ec1o, en muc1as moléculas polares las fuerzas dedispersión contribuyen más a las interacciones intermoleculares que las fuerzas

dipolodipolo. :or eemplo, en el ?Cl se 1a determinado que un 56 de laatracción total entre loas moléculas depende de las fuerzas de dispe5rsión,mientras que el porcentae restante depende de atracciones dipolodipolo.



;uc1os consideran a esta fuerza de dispersión de !ondon como sinónimo delas interacciones de van der Naals, pero, el concepto de fuerzas de van der Naals es más general que incluye las fuerzas dipolodipolo, las fuerzas dedispersión de !ondon y los puentes de 1idrógeno.!a energía de esta fuerza de dispersión varía entre 5.5# y #.> @calAmol -5." a

"5 @Amol , solo un poco superior al promedio de la energía térmica que tienenlas moléculas a una temperatura de #&BC que es de 5./ IcalAmol.

Interaccione$ 6iro4ó"ica$

!as interacciones o fuerzas 1idrofóbicas son aquellas atracciones que permitenla asociación de grupos no polares en un ambiente acuoso. Estos grupos nopolares pueden ser moléculas completas o ser solo parte de una molécula.

Cuando se introducen grupos no polares en una solución acuosa, sedistorsiona la estructura del agua y se forman estructuras ordenadas alrededor de las moléculas 1idrofóbicas. Este orden restringe el movimiento de lasmoléculas de agua y su capacidad para formar puentes de 1idrógeno. Estasituación disminuye la entropía del agua -medida de desorden,lo cual esenergéticamente desfavorable' por lo tanto las moléculas de agua tienden arec1azar los grupos no polares 1asta que éstos confluyen y se asocian. Estaasociación se estabiliza por medio de fuerzas de dispersión. El resultado finales una fuerte tendencia de las moléculas 1idrofóbicas a interactuar una conotra y no con el agua.

4n aspecto importante% a considerar en las interacciones 1idrofóbicas es el delas moléculas anfipáticas. !as moléculas antipáticas están compuestas de dosregiones diferentes, una polar o 1idrofílica y otra no polar o 1idrofóbica.

;uc1as moléculas biológicas son antipáticas y de particular relevancia son losácidos grasos y los fosfolípidos que constituyen las membranas de ls sistemasvivos. Cuando estas moléculas antipáticas se disuelven en soluciones acuosastienden a formar estructuras organizadas. :or eemplo, las moléculas de abónson sales de ácidos carboxílicos largos que están formadas por una cadena1idrocarbonada larga -insoluble en agua y por un grupo carboxílico asociado a

un ión de sodio o potasio -grupo polar e 1idrofílico. Cuando se disuelvenestas moléculas de abón en agua por encima de una concentración critica,tienden a formar agregados esféricos conocidos como micelas. En cada micelalas cadena 1idrocarbonadas se ubican en el interior de la esfera gracias a lasinteracciones 1idrofóbicas. ;ientras que los grupos polares constituyen lasuperficie de la esfera. :uesto que cada micela posee una carga en susuperficie ellas pueden ser 1idratadas y solubilizadas en agua como su setratara de una sal iónica cualquiera. 15aQ you are a c1eaterR



Ta"la 3 Princi-ale$ ti-o$ e interaccione$ entre 7to*o$ 8#e -er*itencon$tit#ir *ol9c#la$ con i4erente$ caracter:$tica$ el9ctrica$;

!a tabla % presenta un resumen de las principales interacciones no covalentesde interés biológico.Este principio del ordenamiento de las moléculas antipáticas es fundamentalpara explicar la formación de estructuras esenciales para los seres vivos conson las membranas biológicas. <ambién es importante para la estructuratridimensional que adquieren muc1as proteínas globulares.

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