Estructuras Moleculares y Macromoleculares: Propiedades y Ejemplos

Conceptos Fundamentales

La materia se organiza en diversas estructuras, desde las más simples formadas por pocos átomos hasta complejas redes continuas. Comprender la distinción entre estructuras moleculares y macromoleculares es crucial en química.

Estructuras Macromoleculares

En las estructuras macromoleculares, los átomos se unen entre sí formando una estructura continua. Un cristal de este tipo constituye una única molécula gigante.

• Presentan altos puntos de fusión y ebullición, consecuencia de la gran cantidad de energía que debe ser absorbida para poder romper la red covalente.

Elementos Típicos con Estructuras Macromoleculares:

• Grupo 14: C, Si, Ge
• Grupo 15: P, As, Sb
• Grupo 16: Se, Te

Estructuras Moleculares

Las estructuras moleculares se caracterizan por tener una unidad estructural básica formada por pocos átomos que constituyen una única molécula discreta.

• Poseen bajos puntos de fusión y ebullición, que suelen aumentar con la masa molecular como consecuencia del incremento en la intensidad de las fuerzas de dispersión intermoleculares.

Tipos de Moléculas:

• Monoatómicas: gases nobles
• Diatómicas: N₂, O₂, H₂ y los halógenos
• Moléculas de 4 átomos: P₄
• Moléculas de 8 átomos: S₈

Es importante destacar que, en sus formas elementales, muchos elementos pueden adoptar tanto estructuras macromoleculares como moleculares, dependiendo de las condiciones y el alótropo.

Algunas Estructuras de Elementos en Estado Elemental

Oxígeno (O)

• Es el elemento más abundante de la corteza terrestre (46% en masa). La atmósfera contiene un 23% en volumen.
• Es una unidad fundamental de construcción de todas las biomoléculas.
• Existe en estado libre como molécula diatómica (O₂), si bien puede existir también como ozono (O₃).
• A nivel industrial, el oxígeno gaseoso se prepara por destilación fraccionada del aire licuado.

Oxígeno Molecular (O₂)

• Gas inodoro, incoloro e insípido.
• Es un oxidante fuerte.
• Molécula apolar. Entre las moléculas se establecen fuerzas de dispersión débiles, lo que resulta en bajos puntos de fusión y ebullición. Es un gas difícil de licuar y solidificar.
• Aplicaciones en la industria (aceros, industria papelera como blanqueante), en el tratamiento de aguas y en medicina para superar dificultades respiratorias.

Ozono (O₃)

• A temperatura y presión ambientales, el ozono es un gas de olor picante, incoloro y tóxico.
• Sus puntos de fusión y de ebullición son bastante mayores que los del dioxígeno (O₂), de acuerdo con su mayor peso molecular y, por tanto, fuerzas intermoleculares más intensas.
• Es menos estable que el oxígeno molecular.
• El ozono es un poderoso oxidante en medio ácido, reacciona como oxidante en condiciones en las que el O₂ permanece inerte, siendo solo superado por el F₂.

O3 + 2H+ + 2e- → 2 H2O + O2 E0 = 2,07 V

• Se emplea principalmente para purificar el agua potable y como agente blanqueante.

Azufre (S)

• El azufre no es un elemento muy abundante, pero resulta muy accesible porque es común encontrarlo en la naturaleza en forma elemental o formando parte de minerales como el yeso (CaSO₄ ∙ 2 H₂O), la pirita (FeS₂) o formando parte del gas natural como H₂S o SO₂.
• Existen diversas formas alotrópicas del azufre. Las más frecuentes son el azufre rómbico y el monoclínico (sólido amarillo opaco). Ambos están compuestos por moléculas S₈. Difieren en el modo en el que se empaquetan las moléculas en el sólido, dando lugar a diferentes estructuras cristalinas.
• El ácido sulfúrico es uno de los productos más importantes de la industria química mundial.

Nitrógeno (N)

• Aproximadamente el 78% en volumen del aire es nitrógeno.
• El nitrógeno es un elemento esencial para la vida, que forma parte de las proteínas y de los ácidos nucleicos.
• El nitrógeno molecular N₂ se obtiene por destilación fraccionada del aire (los puntos de ebullición del nitrógeno líquido y del oxígeno líquido son ‐196 °C y ‐183 °C, respectivamente).

El N₂ presenta una gran inercia química, es muy estable. Una explicación de la reactividad limitada de la molécula se basa en su estructura electrónica:

• El enlace N‐N es un enlace covalente triple (σ + 2π), muy fuerte y difícil de romper.
• Del diagrama de orbitales moleculares se obtiene el orden de enlace (OE = 3).
• En términos termodinámicos, la ΔH asociada a la ruptura de los enlaces de un mol de moléculas de nitrógeno es muy elevada. Es una reacción de disociación muy endotérmica:

N≡N → 2N (g) ΔH = 945 kJ/mol

Fósforo (P)

Al contrario que el nitrógeno, el fósforo no forma enlaces múltiples. Sus formas alotrópicas más frecuentes son:

• Fósforo blanco: estructura molecular de moléculas P₄. Es una sustancia blanda, parafinosa, de bajo punto de fusión (44 °C) y ebullición (280 °C). Es muy reactivo y se almacena sumergido en agua para protegerlo del O₂. Es extremadamente tóxico.
• Fósforo rojo: es la forma en la que se encuentra normalmente en los laboratorios. Posee una estructura macromolecular, siendo mucho menos tóxico y menos reactivo que el blanco. Su punto de fusión es más elevado (590 °C).

Carbono (C)

El carbono presenta diversas formas alotrópicas, incluyendo dos formas macromoleculares principales y otras más recientes con propiedades extraordinarias.

Diamante

Es un sólido transparente con estructura cristalina cúbica, de gran rigidez. No conduce la electricidad. Es el material con mayor dureza y conductividad térmica de todos los conocidos.

Su red está formada por átomos de carbono unidos tetraédricamente mediante enlaces covalentes. Cada átomo de C forma 4 enlaces sencillos (hibridación sp³), en un entorno tetraédrico.

Grafito

Es un mineral de color gris oscuro con estructura de láminas. Dichas láminas pueden deslizar unas sobre otras, lo que le confiere propiedades lubricantes. Conduce la electricidad.

Los átomos de C se ordenan en un entorno hexagonal. Cada C se une a otros 3 formando un enlace doble y dos sencillos (hibridación sp²). Las diferentes capas se unen entre sí por fuerzas intermoleculares débiles.

El grafito y el diamante son dos formas alotrópicas macromoleculares del carbono. Ambos poseen puntos de fusión muy elevados, por encima de 3500 °C.

Otras Formas Alotrópicas del Carbono

Desde mediados de la década de los 80 se conocen otras tres formas alotrópicas, basadas en la estructura del grafito o con hibridación intermedia entre sp² y sp³:

• Fullerenos: Macromoléculas de carbono individuales, con estructuras cerradas formadas por varias decenas de átomos de carbono únicamente (C₂₀‐C₆₀).
• Nanotubos de Carbono: Pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos.
• Grafeno: Estructura laminar plana (hibridación sp²).

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