Los plásticos y los enlaces químicos
LOS PLÁSTICOS Y LOS ENLACES QUÍMICOS
AUTOR: J. EDUARDO MORALES MÉNDEZ
INTRODUCCIÓN
La materia y todo lo que nos rodea en el universo, está hecha de átomos, al unirse átomos de la misma especie forman las sustancias puras (elementos), al unir átomos de diferentes especies se forman los compuestos.
¿Qué es lo que permite que se lleven a cabo estos procesos?, la respuesta la encontramos en los electrones de valencia (estas partículas subatómicas se encuentran en el último nivel energético del átomo), los electrones de un átomo interactúan con los electrones de otro átomo por medio de fuerzas electrostáticas, para crear enlaces químicos.
Este trabajo pretende explicar la influencia de estos electrones a través de los enlaces químicos, para formar a los plásticos y explicar las propiedades que los determinan.
LOS PLÁSTICOS
Los plásticos (polímeros) son moléculas de cadenas largas con grupos repetitivos, que principalmente tienen enlaces covalentes, tienen propiedades que los hacen atractivos en muchas aplicaciones. Como contienen elementos comunes, son relativamente fáciles de sintetizar y suelen ser poco costosos, tienen baja densidad, en parte por los elementos ligeros que los constituyen, y se conforman con facilidad en formas complejas, sus aplicaciones se encuentran en rangos de temperaturas moderadas.
ENLACES QUÍMICOS
Los enlaces químicos, son las fuerzas de atracción que existen entre los átomos o moléculas cuando interactúan unos sobre otros por medio de electrones de valencia, para dar origen a nuevas sustancias con características distintas.
Los enlaces se pueden clasificar en:
- Enlaces atómicos o interatómicos: interacción entre átomos vecinos, que dan origen a nuevos compuestos con características químicas y físicas distintas, como módulo de elasticidad o de young, coeficiente de dilatación o expansión térmica, entre otras.
- Enlaces moleculares o intermoleculares: son interacciones entre moléculas vecinas, sin llegar a reaccionar; influyen en algunas propiedades físicas, como color, punto de fusión, entre otras.
ENLACES ATÓMICOS
Para poder entender lo que sucede en los enlaces atómicos es necesario saber de la regla del octeto y la representación de los enlaces entre los átomos a través de la estructura de Lewis.
La regla del octeto nos dice que, los átomos tienden a formar enlaces hasta completar ocho electrones en el nivel más externo; para ello ganan, pierden o comparten electrones hasta adquirir la configuración estable de un gas noble.
La estructura de Lewis, es la forma de representar los electrones de valencia de cada átomo por medio de puntos o cruces alrededor del símbolo, un máximo de dos por cara. Eta estructura también es llamada formula electrónica o estructura punto-electrón.
Existen tres tipos de enlaces químicos interatómicos, los enlaces iónicos, enlaces covalentes y los enlaces metálicos
Enlaces iónicos
Estos enlaces se presentan entre elementos metálicos y no metálicos, se efectúa por transferencia de electrones del elemento metálico al no metálico, gracias a la fuerza electrostática. En esta transferencia se forman iones que posteriormente se atraen fuertemente por diferencia de cargas eléctricas.
Enlaces covalente
Estos enlaces se presentan entre elementos no metálicos, este enlace se forma al compartir uno o más electrones entre los átomos. De acuerdo a la cantidad de electrones que se comparten, se presentan los enlaces:
- Sencillos: donde se comparte un par de electrones, como los alcanos
- Dobles: donde se comparten dos pares de electrones, como los alquenos
- Triple: donde se comparten tres pares de electrones, como los alquinos
De acuerdo a la simetría del enlace formado y en congruencia con la teoría de la valencia, que dice, los enlaces covalentes se forman por la superposición de orbitales externos entre átomos no metálicos en, no polares, polares y coordinados.
- No polares, unión de dos átomos del mismo elemento, forman una molécula simétrica y sin carga.
- Polares, dos átomos con diferente electronegatividad se unen, comparten electrones y la nube electrónica se acumula en el átomo de mayor electronegatividad, quedando uno con carga parcialmente positiva y otra parcialmente negativa.
- Coordinado, en este enlace uno de los átomos es el que aporta el par (o pares) de electrones de unión.
Enlaces metálicos
Es la unión entre metales, en estos enlaces, los metales comparten electrones externos con todos los átomos vecinos más cercanos, de manera que los electrones se encuentran en libertad, dentro de una red ordenada regular de iones metálicos, que son positivos en toda la estructura metálica, esto explica la alta conductividad de electricidad y de calor, maleabilidad, ductilidad entre otros.
En la siguiente figura se representa gráficamente el enlace de NaCl
a) Curva de Fuerza de enlace, mostrando la ubicación de la separación de equilibrio xo. Observe la pendiente, aproximadamente lineal, de la curva de fuerza total en la cercanía de xo.
b) Curva de energía de enlace para el NaCl, compuesto iónico, mostrando el lugar de la separación de equilibrio, xo.
Fuente: Schaffer y colls (2006)"Ciencia y diseño de materiales para ingeniería.
ENLACES MOLECULARES O INTERMOLECULARES
Son las distintas fuerzas de atracción que se ejercen entre moléculas como puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals
Enlaces por puentes de hidrógeno
Son fuerzas de atracción electrostáticas entre el hidrógeno ya enlazado polarmente y otro átomo
con mayor electronegatividad como puede ser F, N, O.
Enlaces por fuerzas de Van der Waals
Son fuerzas de interacción molecular y dependen de los electrones colocados en el orbital de valencia.
EL PROCESO DE UNIÓN ENTRE DOS ÁTOMO
Al unirse dos átomos intervienen fuerzas electrostáticas o fuerza de Coulomb y en todos los enlaces primarios se presentan procesos de transferencia (iónicos) o repartición de electrones (covalentes). Al ocurrir la unión se presentan dos tipos de fuerzas, una de atracción y otra de repulsión; en la primera, las capas de electrones de valencia comienzan a traslaparse. Mientras llegan al punto de traslape, los electrones asociados llegan a estar tan cerca que comienzan a repelerse, lo que provoca, la repulsión, generando una distancia de equilibrio. Esta distancia de equilibrio también se llama longitud de enlace.
En la figura anterior se muestra que la curva de la fuerza de enlace es aproximadamente lineal cerca de la posición de equilibrio.
La pendiente de la curva en X0 es una medida de la fuerza necesaria para desplazar a los átomos respecto a sus posiciones de equilibrio. Matemáticamente, cerca de X0, el desplazamiento Δ x es proporcional a la fuerza:
F α Δx o 
= aE
Donde a es un factor geométrico y E es la propiedad llamada módulo de elasticidad o módulo de Young. El módulo de elasticidad es una medida de resistencia (la rigidez) que ofrece el material a la separación atómica relativa. Cuando más pendiente es la curva de la fuerza en la separación de equilibrio (cuando mayor sea el valor de E), es mayor la fuerza requerida para mover los átomos respecto a sus posiciones de equilibrio.
Así, los materiales con grandes valores de E son rígidos, porque pueden resistir mejor los cambios de longitud bajo cargas aplicadas.
En la siguiente figura se muestran las curvas de enlace de dos materiales diferentes, uno A y el otro B, de dimensiones y formas iguales. Para el material A, la pendiente de la curva es mayor, que para el material B (en el punto para el cual F =0). En consecuencia, el material A tiene mayor módulo de elasticidad, por lo tanto será más rígido, pero menos flexible que B.
BIBLIOGRAFÍA:
Ashby, M y colls (1980) “Engineering Materials I: An introduction in Their Properties and Applications. Oxford: Pergamon Press.
Askeland, D (1998) “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Thomson Editores.
Brown, T y colls (2000) “Química, la ciencia central. Ed. Prentice Hall
Morales, J. E (2010)”Introducción a la ciencia y tecnología de los plásticos” Ed. Trillas
Schaffer y colls (2006) “Ciencia y Diseño de Materiales para Ingeniería” Ed. CECSA
Williams, D (1971) “Polymer Science and Engineering”: Prentice Hall.