Estructura y enlaces

Al igual que con cualquier otro material, las propiedades del carbono son el resultado directo de la fuerza y la direccionalidad de los enlaces que mantienen unidos a sus átomos. Por lo tanto, cualquier análisis sobre el grafito debe comenzar con la «estructura y los enlaces» dentro de un material carbonoso para comprender el motivo de su comportamiento.

Para comenzar, volvamos a la raíz de la Química Orgánica. Aunque el grafito se considera un material inorgánico , sus «raíces» están firmemente en la química orgánica, o en términos generales, en el estudio de los compuestos de carbono. Esta definición puede refinarse aún más para incluir únicamente compuestos de carbono derivados de materiales «orgánicos» como plantas, animales, etc. Se esperaría entonces que el grafito se considerara «orgánico», ya que muchos tipos de grafito natural se forman a partir de lo que comenzó como carbonos genuinamente orgánicos, y el 99% de los grafitos sintéticos se derivan del petróleo u otras fuentes de carbono orgánico. Sin embargo, el grafito es un elemento y no un compuesto, y típicamente se clasifica como un mineral (por definición un mineral no puede ser orgánico), por lo que se puede argumentar su naturaleza inorgánica.

El elemento carbono es único en el sentido de que probablemente forma más compuestos que todos los demás elementos juntos. Esta capacidad de formación de compuestos es el resultado de la flexibilidad estructural del enlace de carbono. Si revisara las fórmulas estructurales de una serie de compuestos de carbono, descubriría que el carbono se enlaza a sí mismo y a otras especies de formas que resultan en la formación de moléculas compuestas por cadenas cortas, cadenas largas, anillos pequeños, anillos grandes, «coronas», esferas geodésicas, combinaciones de anillos, combinaciones de cadenas, ¡y combinaciones de todas las demás combinaciones! Esta capacidad es el resultado de los múltiples tipos de enlace que el carbono puede formar.

Los tres esquemas de enlace del carbono

Dependiendo del entorno químico, un átomo de carbono puede formar lo que los químicos denominan enlaces simples, «dobles» o «triples» con átomos de carbono adyacentes o con «heteroátomos». Los términos «doble» y «triple» se entrecomillan porque, en realidad, un enlace «doble» no es simplemente dos enlaces simples y un enlace «triple» no es simplemente tres enlaces simples.

Cada uno de estos esquemas de enlace es el resultado de un fenómeno conocido como «hibridación de enlaces». El término hibridación se utiliza porque los cuatro electrones de enlace presentes en el orbital de enlace del carbono no están «fijos» en su capacidad para combinarse con otros átomos. En cambio, estos electrones pueden ajustar su «estructura orbital» para permitir la formación de esquemas de enlace que se adapten al entorno químico en cuestión. Recordemos que la estructura electrónica del átomo de carbono es 1s2, 2s2, 2p2. Los electrones de enlace a los que se hace referencia son los dos electrones del suborbital 2s y los dos electrones del suborbital 2p (un total de 4). Estos son los cuatro electrones de enlace que participan en todas las reacciones químicas o interacciones de enlace en las que intervienen los átomos de carbono.

Como ejemplo de hibridación de enlaces, consideremos que el carbono puede combinarse con el elemento hidrógeno de diversas formas. A continuación, se describirán tres compuestos diferentes de carbono e hidrógeno. En cada uno de estos compuestos se demostrará que el carbono utiliza sus electrones de enlace de tres maneras diferentes. El lector debe tener en cuenta que los esquemas analizados no se limitan a compuestos que contienen solo carbono combinado con hidrógeno. Asimismo, la perspectiva presentada es cualitativa y no cuántica, diseñada para proporcionar al lector una comprensión técnica fundamental del carbono.

Hibridación de enlaces sp3

Bajo ciertas condiciones, un solo átomo de carbono puede combinarse con 4 átomos de hidrógeno. En este compuesto en particular, el carbono tiene cuatro enlaces, uno con cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno. El compuesto, un gas, se denomina metano, CH4. El metano es un componente principal del gas natural. En este esquema de enlace, se dice que los electrones de enlace en los orbitales 2s y 2p tienen hibridación sp3. En esta situación, cada uno de los 4 electrones de enlace contribuye a la formación de un enlace electrón/electrón «fuerte» entre el átomo de carbono y el átomo de hidrógeno específico con el que está asociado. Todos los enlaces son equivalentes y los electrones de enlace están, más o menos, «fijados» entre el núcleo del carbono y el del hidrógeno. Para minimizar las fuerzas de repulsión, los cuatro enlaces con el hidrógeno se disponen tetraédricamente con ángulos de enlace de 109,5°. Este tipo de enlace fuerte se conoce como enlace sigma. En resumen: el carbono en el metano tiene hibridación sp3, con cuatro enlaces sigma, uno para cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno.

Hibridación sp2

Si colocamos los mismos átomos de carbono e hidrógeno en un entorno químico diferente, existe la posibilidad de otra disposición combinatoria. En este nuevo esquema, dos átomos de carbono se combinan entre sí y con 2 átomos de hidrógeno cada uno. En otras palabras, cada átomo de carbono está enlazado a otro carbono y a dos átomos de hidrógeno. El compuesto es el eteno, C2H4 (etileno). El tipo de enlace en este caso se conoce como hibridación sp2. Tenga en cuenta que en este nuevo tipo de compuesto cada átomo de carbono está unido a solo tres especies adicionales, a diferencia del caso anterior (sp3) donde cada carbono estaba unido a otras cuatro especies. En el eteno, cada átomo de carbono tiene tres enlaces fuertes electrón/electrón: uno con el carbono adyacente y dos con los átomos de hidrógeno. La hibridación sp2 es fundamental para el carbono sólido, ya que es el tipo principal de carbono presente en los materiales de negro de carbón y carbonos sólidos.

La pregunta obvia respecto al carbono enlazado a otras tres especies, disponiendo de cuatro electrones de enlace, es: ¿qué sucede con el cuarto electrón de enlace? Si se consulta la literatura para ver una ilustración de la estructura molecular del eteno, se observará que el cuarto electrón de enlace (no contabilizado en términos de enlaces sigma fuertes) se muestra como un doble enlace entre los átomos de carbono.

El problema con este modelo es que una representación de bolas y varillas que muestra un doble enlace entre los dos átomos de carbono en el eteno, o en cualquier otro compuesto sp2, hace parecer que existen dos enlaces fuertes equivalentes entre los dos átomos de carbono. Aunque el cuarto electrón de enlace no contabilizado representa efectivamente el segundo componente de los átomos de carbono doblemente enlazados, el segundo enlace no es de ninguna manera equivalente al enlace sigma fuerte descrito anteriormente. El segundo enlace se coloca en los diagramas estructurales de bolas y varillas únicamente para fines de balance electrónico.

Si el cuarto electrón de enlace no está fuertemente ligado al carbono adyacente, ¿cómo funciona entonces como electrón de enlace? Esta es la pregunta sobre la que reflexionó August Kekulé en su búsqueda por descubrir la estructura del benceno y, según cuenta la leyenda, descubrió la respuesta en un sueño en 1886. El cuarto electrón de enlace, procedente de un átomo de carbono en un compuesto sp2, se acopla a un electrón equivalente de un carbono sp2 adyacente para formar lo que se denomina un enlace pi. El enlace pi se considera débil o difuso en el sentido de que no forma un campo de enlace rígido entre los núcleos de los dos átomos. En su lugar, el par de electrones que constituye el enlace pi reside en una región por encima o por debajo del plano nuclear del par de átomos de carbono. A los químicos cuánticos les gusta hablar de la posición de un electrón de enlace en términos de probabilidad. Es decir, ¿cuál es la probabilidad de encontrar un electrón en una determinada región en un instante dado? Si se aplica este concepto a los electrones en el orbital pi del eteno, se puede afirmar que los electrones pi tienen una probabilidad muy alta de encontrarse en una región con forma de mancuerna por encima o por debajo del plano nuclear de los átomos de carbono participantes. También se puede decir que los electrones pi tienen una probabilidad muy baja de encontrarse en la región internuclear de los átomos de carbono participantes (esta región ya está ocupada por los electrones del enlace sigma).

El volumen espacial ocupado por los electrones del orbital pi aportados por átomos de carbono sp2 adyacentes constituye entonces la región de influencia del segundo componente de los átomos de carbono con doble enlace en el eteno u otros compuestos de carbono sp2. Esta es la verdadera naturaleza de la segunda varilla utilizada para representar el doble enlace en los modelos estructurales orgánicos de bolas y varillas.

En resumen: El doble enlace de un compuesto de carbono con hibridación sp2 está compuesto por:

• Un enlace sigma electrón-electrón cuyo campo de influencia se sitúa entre los núcleos de dos átomos de carbono adyacentes.
• Un enlace pi electrón-electrón cuyo campo de influencia se encuentra en una región por encima o por debajo del plano nuclear de los átomos de carbono participantes.

El átomo de carbono sp2 es de suma importancia para el grafito, ya que este está constituido casi en su totalidad por átomos de carbono de tipo sp2. La relevancia del carbono sp2 y del grafito se abordará con mayor detalle más adelante. El concepto de aromaticidad y resonancia en relación con la hibridación sp2 se tratará en otra sección de este sitio.

Hibridación Sp

Llevemos esta idea de la hibridación de enlaces en el carbono a un paso final: en otro entorno químico, dos carbonos pueden formar un triple enlace entre sí y utilizar su electrón de enlace restante para unirse a un átomo de hidrógeno cada uno y formar etino, C2H2 (acetileno). En este caso, el carbono está enlazado a solo otras dos especies. Este tipo de enlace se conoce como hibridación sp. Y, al igual que en el modelo sp2, los enlaces indicados en un diagrama estructural de bolas y varillas se utilizan únicamente para registrar el número total de electrones de enlace y sus posiciones aproximadas.

En realidad, no existen tres enlaces equivalentes que conecten los dos átomos de carbono en la molécula de etino. Hay tres enlaces, pero solo un par de electrones de enlace (un electrón de cada átomo de carbono) tiene una probabilidad razonable de residir entre los núcleos de los átomos de carbono (enlace sigma). Los otros 4 electrones de enlace (dos de cada carbono) se localizan en dos enlaces pi separados. En este caso, los dos conjuntos de orbitales pi están desfasados entre sí en 90°. En otras palabras, un conjunto de enlaces pi consta de dos zonas de alta probabilidad electrónica con forma de mancuerna situadas justo por encima y por debajo del plano nuclear de la molécula de etino. Los dos orbitales restantes tienen la misma forma, pero están inclinados a 90° respecto al primero.

En síntesis: El etino (acetileno) es un compuesto de carbono con hibridación sp. En la hibridación sp, el carbono está enlazado a otras dos especies. El enlace carbono-carbono en la hibridación sp consiste en un enlace de tipo sigma entre átomos de carbono adyacentes, dos enlaces pi entre átomos de carbono adyacentes y un enlace de tipo sigma entre los átomos de carbono e hidrógeno.