Estructuras de red covalente: diamante, SiO2 y moléculas
Aprende en qué se diferencian las estructuras covalentes gigantes, como el diamante y el dióxido de silicio, de las sustancias covalentes moleculares, y cómo su estructura explica sus propiedades.
Una botella de oxígeno puede contener un gas, mientras que un diamante es un sólido extremadamente duro. Ambos implican enlaces covalentes. Entonces, ¿por qué sus propiedades son tan diferentes?
Antes de seguir leyendo, haz una predicción: ¿significa esto que los enlaces covalentes del oxígeno son débiles y los enlaces covalentes del diamante son fuertes?
Esa predicción resulta tentadora, pero pasa por alto la parte importante. La diferencia no es simplemente la fuerza de un solo enlace covalente. Es dónde se encuentran los enlaces covalentes. En una sustancia molecular, los enlaces covalentes fuertes forman moléculas separadas, con fuerzas intermoleculares entre ellas. En una red covalente, los enlaces covalentes se extienden a través de una estructura enorme.
Esa única diferencia estructural explica la mayoría de las propiedades que necesitas predecir.
01Empieza preguntando: ¿hay moléculas separadas?
Imagina una fiesta escolar un poco incómoda.
En una sustancia covalente molecular, las personas llegan en parejas. Cada pareja se mantiene fuertemente unida, lo que representa los enlaces covalentes fuertes dentro de una molécula. Las distintas parejas interactúan entre sí de manera mucho más débil, lo que representa las fuerzas intermoleculares entre moléculas.
Si todos reciben suficiente energía para moverse con mayor libertad, no necesitas separar a cada pareja. Principalmente necesitas vencer las atracciones más débiles entre las distintas parejas.
Una red covalente es diferente. Imagina que todas las personas de la sala están conectadas con varias otras, formando una enorme estructura interconectada. No hay pequeños grupos separados que puedan simplemente alejarse unos de otros. Para separar la estructura, tienes que alterar enlaces fuertes a lo largo de toda la red.
La analogía tiene sus límites. Los enlaces químicos no son conexiones mecánicas literales, y las fuerzas intermoleculares son interacciones electrostáticas reales, no una vaga incomodidad social. Pero la distinción que pone de manifiesto es exacta e importante:
- las sustancias covalentes moleculares contienen moléculas discretas
- las sustancias de red covalente contienen una red extendida de átomos unidos covalentemente
También puedes encontrar una red covalente descrita como una estructura covalente gigante.
02Las sustancias covalentes moleculares tienen dos niveles de atracción
Considera el dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\).
Dentro de cada molécula de dióxido de carbono, los átomos de carbono y oxígeno están unidos mediante enlaces covalentes fuertes:
\[
\ce{O=C=O}
\]
Pero una molécula de \(\ce{CO2}\) no está unida covalentemente a la siguiente molécula de \(\ce{CO2}\). En su lugar, existen fuerzas intermoleculares entre las moléculas.
Esto nos da dos aspectos diferentes que debemos tener en cuenta:
| Ubicación | Atracción | Función relativa |
|---|---|---|
| Dentro de una molécula | Enlaces covalentes | Mantienen unidos los átomos de esa molécula |
| Entre moléculas | Fuerzas intermoleculares | Mantienen próximas entre sí las moléculas separadas |
Esta distinción es enormemente importante durante un cambio de estado.
Cuando una sustancia molecular se funde o hierve sin descomponerse, sus moléculas se separan o se mueven con mayor libertad. Los enlaces covalentes dentro de las moléculas generalmente permanecen intactos. Lo que se vence son las atracciones intermoleculares.
Por eso es incorrecto decir que «las sustancias covalentes tienen puntos de fusión bajos porque los enlaces covalentes son débiles».
Los enlaces covalentes no son débiles. En una sustancia molecular, normalmente no es necesario romperlos para fundir o hervir la sustancia.
03Una red covalente no tiene moléculas separadas que puedan apartarse
Ahora considera el diamante.
Un diamante no contiene pequeñas moléculas de \(\ce{C4}\), \(\ce{C20}\) u otras moléculas de carbono empaquetadas entre sí. Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros cuatro átomos de carbono en una disposición tridimensional.
Esos átomos de carbono vecinos están unidos a más átomos de carbono, que a su vez están unidos a otros más. El patrón continúa a través de todo el cristal.
Por lo tanto, no existe un límite útil en el que termine una «molécula de diamante» y empiece la siguiente.
Por qué el diamante es tan duro
Supón que intentas empujar una capa de átomos para que se deslice respecto a otra.
En un sólido molecular, las moléculas pueden ser capaces de moverse unas respecto a otras una vez que se vencen las atracciones intermoleculares.
El diamante no tiene capas débilmente unidas de moléculas separadas. Sus átomos de carbono están sujetos en una red tridimensional rígida de enlaces covalentes fuertes.
Por lo tanto, deformar la estructura implica resistir o alterar enlaces fuertes. Esto confiere al diamante su dureza extremadamente alta.
La dureza no significa lo mismo que la tenacidad. Un material puede resistir muy bien los arañazos y, aun así, fracturarse bajo la fuerza adecuada. En preguntas de química, sé preciso respecto a la propiedad que se está analizando.
Por qué el diamante requiere temperaturas extremas para alterar su estructura
No existen atracciones intermoleculares débiles que mantengan unidas moléculas de diamante separadas, porque no existen moléculas de diamante separadas.
Separar átomos de la estructura requiere alterar los enlaces covalentes a lo largo de la red. Esto requiere mucha más energía que vencer las fuerzas intermoleculares de una sustancia molecular típica.
Por eso, las estructuras covalentes gigantes suelen tener temperaturas muy altas asociadas con la fusión, la descomposición o la vaporización.
Por qué el diamante no conduce la electricidad
Un material conduce electricidad únicamente si contiene partículas cargadas que puedan desplazarse a través de él.
En el diamante, los electrones de valencia están localizados en enlaces covalentes. No hay iones móviles ni electrones deslocalizados que puedan moverse libremente.
Por eso, el diamante es un aislante eléctrico.
Observa el razonamiento. No dijimos: «Es covalente, así que no puede conducir». La regla más adecuada es:
Busca portadores de carga móviles.
Esta regla seguirá siendo válida en muchos más contextos de química que una lista memorizada de relaciones entre estructura y propiedades.
04El dióxido de silicio también es una red covalente
El dióxido de silicio, \(\ce{SiO2}\), presenta una trampa especialmente molesta para los estudiantes.
Podrías ver su fórmula e imaginar una molécula similar al dióxido de carbono:
\[
\ce{O=Si=O}
\]
Para el dióxido de silicio sólido común, como el cuarzo, esa representación es incorrecta.
El dióxido de silicio forma una red tridimensional extendida. Cada átomo de silicio está unido covalentemente a cuatro átomos de oxígeno. Cada átomo de oxígeno actúa como puente entre dos átomos de silicio.
Por lo tanto, no existen moléculas de \(\ce{SiO2}\) separadas situadas unas junto a otras.
Entonces, ¿por qué la fórmula es \(\ce{SiO2}\)?
La fórmula indica la proporción global de átomos, no necesariamente el contenido de una molécula.
Para el dióxido de silicio:
- cada átomo de silicio está conectado a cuatro átomos de oxígeno
- cada átomo de oxígeno se comparte entre dos átomos de silicio
Por lo tanto, esos cuatro átomos de oxígeno vecinos aportan, en promedio,
\[
\frac{4}{2}=2
\]
átomos de oxígeno por átomo de silicio.
La proporción global es, por tanto, \(1:2\), lo que da \(\ce{SiO2}\).
Esta es una distinción importante. Una fórmula química no indica automáticamente que una sustancia esté formada por moléculas que contengan exactamente ese conjunto de átomos.
05Comparación entre el diamante y el dióxido de silicio
El diamante y el dióxido de silicio son redes covalentes tridimensionales, pero sus redes no son idénticas.
| Característica | Diamante | Dióxido de silicio |
|---|---|---|
| Átomos principales presentes | Carbono | Silicio y oxígeno |
| Patrón de enlace | Cada C unido a 4 átomos de C | Cada Si unido a 4 átomos de O; cada O unido a 2 átomos de Si |
| ¿Moléculas separadas? | No | No |
| Enlace principal en todo el sólido | Covalente | Covalente |
| Dureza | Extremadamente duro | Duro y frágil |
| Energía necesaria para alterar la estructura | Muy alta | Muy alta |
| Conductividad eléctrica | Muy baja | Muy baja |
| Solubilidad en agua | Insoluble | Prácticamente insoluble |
Sus propiedades se derivan de los enlaces extendidos, no simplemente de la palabra «covalente».
06Ejemplo resuelto: ¿Por qué el dióxido de carbono abandona el estado sólido mucho más fácilmente que el dióxido de silicio?
El dióxido de carbono sólido, \(\ce{CO2(s)}\), y el dióxido de silicio, \(\ce{SiO2(s)}\), contienen ambos enlaces covalentes. Explica por qué el dióxido de carbono sólido puede abandonar el estado sólido con mucha mayor facilidad que el dióxido de silicio.
Paso 1
El dióxido de carbono es molecular. Contiene moléculas separadas de \(\ce{CO2}\).
El dióxido de silicio es una red covalente. Sus átomos de silicio y oxígeno están conectados mediante una estructura tridimensional extendida.
Paso 2
Para que el dióxido de carbono sólido se separe en moléculas gaseosas, deben vencerse las fuerzas intermoleculares entre sus moléculas de \(\ce{CO2}\). Los enlaces covalentes fuertes \(\ce{C=O}\) dentro de cada molécula permanecen intactos.
Para que el dióxido de silicio pierda su estructura de red, deben alterarse enlaces covalentes Si-O fuertes a lo largo de toda la red.
Paso 3
Vencer las atracciones intermoleculares entre las moléculas de dióxido de carbono requiere mucha menos energía que alterar una red extendida de enlaces covalentes fuertes.
Por eso, el \(\ce{CO2}\) sólido abandona el estado sólido mucho más fácilmente que el \(\ce{SiO2}\).
La comparación clave no es «enlaces covalentes débiles frente a enlaces covalentes fuertes». Es fuerzas intermoleculares frente a una red covalente extendida.
07Ejemplo resuelto: ¿Por qué el dióxido de silicio no es \(\ce{SiO4}\)?
En la red de dióxido de silicio, cada átomo de silicio tiene cuatro átomos de oxígeno vecinos. Explica por qué la fórmula es \(\ce{SiO2}\), y no \(\ce{SiO4}\).
Paso 1
Supón que hay \(N\) átomos de silicio.
Cada átomo de silicio está unido a cuatro átomos de oxígeno, por lo que hay \(4N\) conexiones de enlace Si-O procedentes de los átomos de silicio.
Paso 2
Cada átomo de oxígeno está unido a dos átomos de silicio. Por tanto, un átomo de oxígeno representa dos de esas conexiones Si-O.
En consecuencia, el número de átomos de oxígeno es
\[
\frac{4N}{2}=2N
\]
Paso 3
Hay \(N\) átomos de silicio por cada \(2N\) átomos de oxígeno:
\[
\text{Si:O}=N:2N=1:2
\]
Por tanto, la fórmula es \(\ce{SiO2}\).
La fórmula representa la proporción de números enteros más sencilla de toda la red. No representa una molécula aislada de \(\ce{SiO2}\).
08Cómo la estructura controla las principales propiedades físicas
En lugar de memorizar datos separados para cada sustancia, pregúntate qué tendría que ocurrir físicamente para producir la propiedad.
Fusión y ebullición
Para una sustancia covalente molecular, un cambio de estado normalmente requiere que las moléculas se alejen más entre sí o se muevan con mayor libertad.
Eso significa vencer las fuerzas intermoleculares.
En una red covalente, no hay moléculas separadas que puedan liberarse. Alterar la estructura requiere romper o reorganizar enlaces covalentes fuertes a lo largo de toda la red.
Por eso, las sustancias de red covalente suelen requerir mucha más energía para alterar su estructura.
Ten cuidado con la expresión «punto de ebullición alto». Algunas sustancias covalentes gigantes pueden descomponerse, cambiar de estructura o sublimarse bajo determinadas condiciones en lugar de presentar una transición limpia de líquido a gas. El principio útil es que separar los átomos de la red requiere cantidades muy grandes de energía.
Dureza
Los sólidos moleculares suelen tener una dureza relativamente baja porque las moléculas se mantienen unidas mediante fuerzas intermoleculares y no mediante enlaces covalentes que se extienden por todo el sólido.
El diamante es extremadamente duro porque los enlaces covalentes fuertes se extienden en tres dimensiones.
El dióxido de silicio también es duro porque deformarlo exige alterar su red extendida de Si-O.
Esto es una tendencia, no una autorización para afirmar que todas las redes covalentes deben tener propiedades mecánicas idénticas. La disposición detallada de la red también importa.
Conductividad eléctrica
No determines esta propiedad basándote únicamente en el tipo de enlace.
Pregunta:
¿Hay partículas cargadas que puedan moverse?
Para el diamante y el dióxido de silicio, la respuesta es no. Sus electrones están localizados en enlaces y no hay iones móviles.
Por lo tanto, conducen la electricidad muy mal.
Esto también explica por qué afirmar que «todas las redes covalentes son no conductoras» es demasiado general. Algunas redes covalentes pueden contener electrones deslocalizados. El grafito es el ejemplo habitual. Su distinta disposición de átomos de carbono le confiere propiedades eléctricas y mecánicas diferentes de las del diamante.
Solubilidad
Para disolver una sustancia, el disolvente debe ser capaz de separar sus partículas y estabilizarlas.
En algunos casos, el agua puede separar moléculas unas de otras porque para hacerlo solo es necesario sustituir las atracciones intermoleculares por nuevas atracciones entre el soluto y el agua.
Una red covalente tridimensional es mucho más difícil de separar. El agua no puede simplemente extraer moléculas individuales porque no existen moléculas individuales que extraer.
Por eso, el diamante y el dióxido de silicio son insolubles en agua en condiciones normales.
No conviertas esto en la regla «covalente significa insoluble». Muchas sustancias covalentes moleculares se disuelven fácilmente en disolventes adecuados. La polaridad molecular y las fuerzas intermoleculares son importantes.
09La comparación que merece la pena recordar
| Pregunta | Sustancia covalente molecular | Sustancia de red covalente |
|---|---|---|
| ¿Qué unidades estructurales existen? | Moléculas separadas | Una red extendida |
| ¿Dónde están los enlaces covalentes? | Principalmente dentro de cada molécula | A lo largo de toda la red |
| ¿Qué hay entre las unidades separadas? | Fuerzas intermoleculares entre moléculas | No hay unidades moleculares separadas |
| ¿Qué se vence principalmente durante la fusión ordinaria? | Fuerzas intermoleculares | Debe alterarse una extensa red de enlaces |
| Energía típica necesaria para cambiar de estado | Menor que la de una red covalente gigante | Muy alta |
| Dureza típica del sólido | A menudo relativamente baja | A menudo alta en redes 3D |
| Conductividad eléctrica | Normalmente baja, salvo que haya especies cargadas móviles | Depende de que existan portadores de carga móviles |
| ¿La fórmula describe necesariamente una molécula? | Normalmente sí, para sustancias moleculares sencillas | No, puede describir una proporción de átomos |
Por lo tanto, la regla de decisión más rápida para el HSC es:
- Decide si la sustancia contiene moléculas discretas o una red extendida.
- Identifica qué atracción tendría que vencerse para la propiedad que se está analizando.
- Para la conductividad eléctrica, comprueba por separado si existen portadores de carga móviles.
- Usa la estructura para justificar la propiedad en lugar de limitarte a citarla de memoria.
10El error conceptual más tentador: «las sustancias covalentes tienen puntos de fusión bajos»
Esta afirmación confunde dos estructuras muy diferentes.
Un estudiante podría razonar:
«Las sustancias covalentes contienen enlaces covalentes. Las sustancias moleculares se funden con facilidad. Por lo tanto, los enlaces covalentes deben ser fáciles de romper».
El error está en el segundo paso.
Cuando una sustancia molecular se funde, sus enlaces covalentes normalmente no se rompen. Las moléculas permanecen intactas mientras se vencen las fuerzas intermoleculares.
Cuando se altera una estructura covalente gigante, realmente deben perturbarse enlaces covalentes de la red extendida.
Por tanto, una comparación mejor es:
- covalente molecular: enlaces fuertes dentro de las moléculas, atracciones más débiles entre las moléculas
- red covalente: enlaces covalentes fuertes que se extienden por toda la estructura
Esta distinción explica por qué dos sustancias pueden describirse como covalentes y, sin embargo, tener propiedades físicas completamente diferentes.
11Preguntas y soluciones
Pregunta 1
El cloro sólido está formado por moléculas discretas de \(\ce{Cl2}\). Cuando el cloro sólido se funde, ¿se rompen los enlaces covalentes Cl-Cl? Explica.
Solución 1
No. Los enlaces covalentes Cl-Cl permanecen intactos durante la fusión.
El cloro sólido es una sustancia covalente molecular. Cada molécula contiene un enlace covalente Cl-Cl fuerte, mientras que las moléculas separadas de \(\ce{Cl2}\) se atraen entre sí mediante fuerzas intermoleculares.
Durante la fusión, se vence suficiente atracción intermolecular para que las moléculas puedan desplazarse unas respecto a otras. Romper los enlaces Cl-Cl produciría átomos de cloro e implicaría un cambio químico, en lugar del proceso físico ordinario de fusión.
El error común es decir que «se rompen enlaces durante la fusión» sin especificar qué atracciones están implicadas. En una sustancia molecular, la fusión ordinaria vence principalmente fuerzas intermoleculares, no los enlaces covalentes dentro de cada molécula.
Pregunta 2
Una hipotética estructura covalente gigante contiene átomos X e Y. Cada átomo X está unido covalentemente a tres átomos Y, y cada átomo Y se comparte entre dos átomos X. Determina la fórmula más sencilla de la estructura.
Solución 2
La fórmula más sencilla es \(\ce{X2Y3}\).
Supón que hay \(N\) átomos X. Cada X tiene tres conexiones X-Y, lo que da
\[
3N
\]
conexiones X-Y.
Cada átomo Y está conectado a dos átomos X, de modo que cada Y representa dos conexiones. Por lo tanto, el número de átomos Y es
\[
\frac{3N}{2}
\]
La proporción es
\[
\text{X:Y}=N:\frac{3N}{2}
\]
Al multiplicar ambas partes por 2 obtenemos
\[
\text{X:Y}=2:3
\]
por lo que la fórmula más sencilla es
\[
\ce{X2Y3}
\]
La idea importante es que los átomos vecinos de una red se comparten. Contar tres átomos Y vecinos alrededor de un X no significa que la fórmula deba ser \(\ce{XY3}\).
Pregunta 3
Se examinan dos sólidos covalentes.
La sustancia A está formada por moléculas discretas y se funde cuando se calienta moderadamente. La sustancia B es una red tridimensional en la que cada átomo está unido a átomos vecinos mediante enlaces covalentes.
Un estudiante dice: «B tiene un punto de fusión más alto porque sus enlaces covalentes individuales deben ser más fuertes que los enlaces covalentes de A».
Evalúa la explicación del estudiante.
Solución 3
La conclusión sobre el comportamiento durante la fusión puede ser razonable, pero la explicación del estudiante no lo es. No necesitamos suponer que B tenga enlaces covalentes individuales más fuertes.
En la sustancia A, los enlaces covalentes mantienen unidos los átomos dentro de cada molécula. La fusión requiere principalmente vencer las fuerzas intermoleculares entre las moléculas separadas.
En la sustancia B, no hay moléculas separadas. Los enlaces covalentes fuertes se extienden por toda la red tridimensional. Destruir la estructura ordenada del sólido requiere, por tanto, una alteración extensa de los enlaces covalentes.
En consecuencia, la diferencia en el comportamiento durante la fusión puede explicarse por qué interacciones deben vencerse, y no afirmando que cada enlace covalente individual de B sea más fuerte que cada enlace covalente de A.
Esa es la trampa: comparar la fuerza de los enlaces antes de determinar qué enlaces están realmente implicados en el cambio físico.
Pregunta 4
Un sólido desconocido es duro, tiene un punto de fusión muy alto, no conduce electricidad en estado sólido y es insoluble en agua.
¿Puedes concluir únicamente a partir de estas observaciones que debe ser un sólido de red covalente? Explica.
Solución 4
No. Esas observaciones son compatibles con una red covalente, pero no demuestran de forma exclusiva que esa sea su estructura.
Una red covalente tridimensional como el diamante o el dióxido de silicio puede ser dura, tener un punto de fusión muy alto, ser insoluble en agua y no conducir electricidad.
Sin embargo, algunos sólidos iónicos también pueden ser duros, tener puntos de fusión altos, ser insolubles o solo ligeramente solubles y no conducir electricidad en estado sólido. En un sólido iónico, los iones tienen carga, pero están fijos en sus posiciones, por lo que no pueden transportar corriente mientras la red permanezca sólida.
Por tanto, harían falta más pruebas. Por ejemplo, la conductividad después de la fusión puede ayudar a distinguir las estructuras porque una sustancia iónica fundida contiene iones móviles, mientras que una red covalente típica como el dióxido de silicio no se convierte de repente en un líquido de iones que se mueven libremente.
La suposición oculta es que un conjunto de propiedades macroscópicas debe corresponder exactamente a un solo tipo de enlace. En la práctica, la identificación estructural debe basarse en varias pruebas.
Pregunta 5
Una forma recién descubierta de un elemento contiene enlaces covalentes fuertes que se extienden a través de láminas planas. Solo existen atracciones débiles entre las láminas vecinas. Algunos electrones están deslocalizados y pueden moverse a lo largo de cada lámina.
Un estudiante sostiene: «Es una estructura covalente gigante, así que debe ser extremadamente dura en todas las direcciones e incapaz de conducir electricidad».
Predice si las dos afirmaciones del estudiante tienen que ser correctas.
Solución 5
Ninguna de las dos afirmaciones tiene que ser correcta. El material podría ser relativamente fácil de deformar por deslizamiento entre sus láminas y podría conducir electricidad a lo largo de ellas.
Dentro de cada lámina, los enlaces covalentes fuertes ofrecerían una gran resistencia a separar átomos enlazados.
Sin embargo, entre las láminas solo existen atracciones débiles. Por tanto, una lámina podría deslizarse sobre otra con mucha más facilidad de lo que los átomos podrían desplazarse a través de la red tridimensional del diamante. Una estructura covalente gigante no tiene automáticamente la misma dureza en todas las direcciones.
Los electrones deslocalizados proporcionan portadores de carga móviles. Pueden desplazarse a través de las láminas, por lo que es posible la conducción eléctrica a pesar de que la sustancia tenga enlaces covalentes.
El error consiste en utilizar la etiqueta covalente gigante como si determinara por sí sola todas las propiedades. Aun así, es necesario examinar la geometría de la red y el comportamiento de los electrones.
Pregunta 6
Un cristal de cuarzo formado por \(\ce{SiO2}\) se tritura hasta obtener un polvo extremadamente fino.
Un estudiante afirma que la trituración debe haber convertido la red covalente gigante en moléculas separadas de \(\ce{SiO2}\) porque ahora los fragmentos son mucho más pequeños.
Explica por qué esta conclusión es incorrecta.
Solución 6
Triturar el cuarzo produce fragmentos más pequeños de la red covalente, no una colección de moléculas separadas de \(\ce{SiO2}\).
Romper el cristal crea nuevas superficies y necesariamente altera algunos enlaces Si-O en los lugares donde se producen las fracturas. Sin embargo, dentro de cada pequeño grano, los átomos de silicio y oxígeno permanecen conectados mediante la estructura covalente extendida.
Hacer que un cristal sea más pequeño no cambia automáticamente su modelo de enlace. Incluso un grano microscópico puede contener una cantidad enorme de átomos unidos formando una red.
La fórmula \(\ce{SiO2}\) sigue describiendo la proporción global \(1:2\) entre silicio y oxígeno. No se convierte de repente en la fórmula molecular de una partícula discreta.
Esta distinción resulta útil cuando pasas a estudiar redes iónicas y estructuras metálicas. Para cualquier sólido, la primera pregunta útil no es simplemente «¿Qué tipo de enlace contiene?». Es: ¿qué partículas o unidades estructurales están realmente presentes, qué las mantiene unidas y cuáles de esas partículas pueden moverse?