Este extraño enlace químico actúa como una mezcla de enlaces de hidrógeno y covalentes

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Los estudiantes de química de todo el mundo están familiarizados con los enlaces covalentes y los enlaces de hidrógeno. Ahora, un estudio ha revelado una extraña variedad de vínculos que actúa como un híbrido de los dos. Sus propiedades plantean interrogantes sobre cómo se definen los enlaces químicos, los químicos informan en el 8 de enero Ciencias.

Los enlaces de hidrógeno se consideran típicamente como atracciones eléctricas débiles más que como enlaces químicos verdaderos. Los enlaces covalentes, por otro lado, son enlaces químicos fuertes que mantienen unidos los átomos dentro de una molécula y resultan de los electrones que se comparten entre los átomos. Ahora, los investigadores informan que una variedad inusualmente fuerte de enlaces de hidrógeno es de hecho un híbrido, ya que involucra electrones compartidos, difuminando la distinción entre enlaces de hidrógeno y covalentes.

“Nuestra comprensión de los enlaces químicos, la forma en que la enseñamos, es en gran medida en blanco y negro”, dice el químico Andrei Tokmakoff de la Universidad de Chicago. El nuevo estudio muestra que «en realidad hay un continuo».

Tokmakoff y sus colegas caracterizaron el enlace híbrido al observar grupos de átomos llamados iones bifluoruro, que consisten en un solo átomo de hidrógeno intercalado entre un par de átomos de flúor, en el agua. Según la sabiduría convencional, el átomo de hidrógeno está unido a un flúor por un enlace covalente y al otro flúor por un enlace de hidrógeno.

Los investigadores utilizaron luz infrarroja para hacer vibrar los iones bifluoruro y midieron la respuesta de los átomos de hidrógeno, revelando una serie de niveles de energía a los que vibraban los átomos de hidrógeno. Para un enlace de hidrógeno típico, el espacio entre esos niveles de energía disminuiría a medida que el átomo ascendiera más en la escala de energía. Pero en cambio, los investigadores encontraron que el espaciamiento aumentó. Este comportamiento indicó que el átomo de hidrógeno se compartía entre los dos átomos de flúor por igual, en lugar de estar estrechamente unido a un átomo de flúor por un enlace covalente y más débilmente unido por un enlace de hidrógeno típico al otro. En ese arreglo, «la diferencia entre el covalente y el [hydrogen] el vínculo se borra y ya no es significativo ”, dice el coautor del estudio, Bogdan Dereka, químico también de la Universidad de Chicago.

Los cálculos por computadora mostraron que este comportamiento depende de la distancia entre los dos átomos de flúor. A medida que los átomos de flúor se acercan entre sí, apretando el hidrógeno entre ellos, el enlace de hidrógeno normal se vuelve más fuerte, hasta que los tres átomos comienzan a compartir electrones como en un enlace covalente, formando un enlace único que los investigadores llaman enlace químico mediado por hidrógeno. . Para los átomos de flúor que están más separados, se sigue aplicando la descripción convencional, con enlaces covalentes y de hidrógeno distintos.

El enlace químico mediado por hidrógeno no puede describirse ni como un enlace de hidrógeno puro ni como un enlace covalente puro, concluyen los investigadores. «Es realmente un híbrido de los dos», dice el químico Mischa Bonn del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz, Alemania, quien fue coautor de un pieza en perspectiva sobre el estudio, también publicado en Ciencias.

Los enlaces de hidrógeno ocurren en una variedad de sustancias, la más famosa en el agua. Sin enlaces de hidrógeno, el agua a temperatura ambiente sería un gas en lugar de un líquido. Si bien la mayoría de los enlaces de hidrógeno en el agua son débiles, se pueden formar enlaces de hidrógeno fuertes similares a los que se encuentran en los iones bifluoruro en el agua que contiene un exceso de iones de hidrógeno. Dos moléculas de agua pueden intercalar un ion de hidrógeno, creando lo que se llama un ion de Zundel, en el que el ion de hidrógeno se comparte por igual entre las dos moléculas de agua. Los nuevos resultados hacen eco del comportamiento del ión de Zundel, dice el químico Erik Nibbering del Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto en Berlín, quien fue coautor de un artículo de 2017 en Ciencias en el ion Zundel. «Todo encaja muy bien».

Se cree que los enlaces de hidrógeno fuertes desempeñan un papel en el transporte de iones de hidrógeno, un proceso crucial para una variedad de mecanismos biológicos, incluidas las celdas de energía y para tecnologías como las celdas de combustible. Por lo tanto, comprender mejor estos vínculos podría arrojar luz sobre una variedad de efectos.

Y la nueva observación tiene implicaciones sobre cómo los científicos entienden los principios básicos de la química. «Toca nuestra comprensión fundamental de lo que es un enlace químico», dice Bonn.

Esa nueva comprensión de los enlaces químicos también plantea preguntas sobre lo que califica como molécula. Los átomos conectados por enlaces covalentes se consideran parte de una sola molécula, mientras que los conectados por enlaces de hidrógeno pueden permanecer como entidades separadas. Entonces, los vínculos en el limbo entre los dos plantean la pregunta: «¿Cuándo se pasa de dos moléculas a una molécula?» Tokmakoff dice.