Nuevo tipo de enlace químico ultra-fuerte


Es como los enlaces de hidrógeno que se encuentran en el agua, pero mucho más fuertes.


Una imagen muestra una gota de agua colgando de una fronda de helecho. Los enlaces de hidrógeno unen moléculas de agua entre sí, dando a la gota su forma característica. Pero se rompen fácilmente. Los investigadores descubrieron recientemente una forma de enlace de hidrógeno tan fuerte que es comparable a los enlaces covalentes que unen hidrógeno y oxígeno en moléculas de agua dentro de la gota.(Imagen: © Louise Docker, Wikimedia Commons/CC BY 2.0)

Recientemente, los científicos han descubierto un tipo totalmente nuevo de vínculo químico, y es mucho más fuerte de lo que tiene derecho a ser.

El nuevo tipo de unión muestra que la división entre poderosos enlaces covalentes, que unen moléculas y enlaces de hidrógeno débiles, que se forman entre moléculas y pueden ser rotos por algo tan simple como agitar sal en un vaso de agua, no es tan clara como los libros de texto de química sugerirían.

Piensa en esa clase de química de la escuela secundaria, y recordarás que hay diferentes tipos de enlaces que unen átomos en moléculas y estructuras cristalinas.

Los enlaces iónicos unen metales y no metales para formar sales. Fuertes enlaces covalentes unen moléculas como el dióxido de carbono y el agua. Los enlaces de hidrógeno más débiles se forman debido a un tipo electrostático de atracción entre el hidrógeno y un átomo o molécula cargados negativamente, por ejemplo, causando que las moléculas de agua se atraigan entre sí y formen gotas o hielo cristalino. Los enlaces iónicos, covalentes e hidrógeno son relativamente estables; tienden a durar durante largos períodos de tiempo y tienen efectos son fácilmente observables. Pero los investigadores han sabido desde hace mucho tiempo que durante una reacción química, ya que los enlaces químicos se están formando o rompiendo, la historia es más complicada e implica "estados intermedios" que pueden existir para fracciones diminutas de segundo y son más difíciles de observar.

En el nuevo estudio, los investigadores lograron mantener estos estados intermedios en marcha durante el tiempo suficiente para hacer un examen detallado. Lo que encontraron fue un enlace de hidrógeno con la fuerza de un enlace covalente, uniendo átomos en algo que se asemejaba a una molécula.

Para ello, los investigadores disolvieron un compuesto de hidrógeno-fluoruro en agua, y observaron cómo los átomos de hidrógeno y flúor interactuaban. Los átomos de flúor fueron atraídos a los átomos de hidrógeno debido a los desequilibrios de cargas positivas y negativas en sus superficies, la estructura clásica de un enlace de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno tendía a ser emparedo entre dos átomos de flúor. Pero esos sándwiches estaban unidos con más fuerza que los enlaces típicos de hidrógeno, que se rompen fácilmente. Los átomos de hidrógeno rebotaron de un lado a otro entre los átomos de flúor, formando enlaces tan fuertes como los enlaces covalentes y se asemejaron a moléculas, que los enlaces de hidrógeno no deberían ser capaces de formar. Pero el mecanismo del nuevo enlace era electrostático, lo que significa que implicaba el tipo de diferencias en la carga positiva y negativa que definen los enlaces de hidrógeno.

Los nuevos enlaces tenían una fuerza de 45,8 kilocalorías por mol (una unidad de energía de unión química), mayor que algunos enlaces covalentes. Las moléculas de nitrógeno, por ejemplo, están hechas de dos átomos de nitrógeno unidos junto con una fuerza de unos 40 kcal/mol, según LibreTexts. Un enlace de hidrógeno suele tener una energía de aproximadamente 1 a 3 kcal/mol, según el libro Bioquímica.

Describieron sus resultados en un artículo publicado el jueves (7 de enero) en la revista Science. En un artículo adjunto en Science, Mischa Bonn y Johannes Hunger, investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Alemania, que no participaron en el estudio, escribieron que este inusual vínculo difumina las claras categorías de química.

"La existencia de un estado híbrido covalente-hidrógeno unido no sólo desafía nuestra comprensión actual de lo que es exactamente un vínculo químico, sino que también ofrece la oportunidad de entender mejor las reacciones químicas", escribieron, "donde a menudo se invocan 'estados de reacción intermedios', pero rara vez se estudian directamente".

Enlaces similares probablemente existen en agua pura, escribieron, cuando un átomo de hidrógeno se encuentra emparecido entre dos moléculas de agua. Pero se cree que esos lazos existen pero no son tan longevos, escribieron los investigadores. Y nunca han sido observados de manera concluyente.

Este estudio, escribieron, podría abrir la puerta a una "comprensión más profunda de la unión fuerte" y los estados de reacción intermedia.

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