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Un secreto oculto de la química: ¿Por qué ciertos pares solitarios de electrones conducen a la quiralidad molecular?
En química, un par solitario de electrones es un par de electrones de valencia que no se comparte con ningún otro átomo. Estos electrones no compartidos a veces se denominan pares no compartidos o pares no enlazantes y generalmente se ubican en la capa electrónica más externa de un átomo. La presencia de pares solitarios de electrones no es sólo una consideración de la configuración electrónica, sino que también tiene un impacto significativo en la geometría y las propiedades químicas de las moléculas, especialmente en términos de quiralidad molecular.
La presencia de pares solitarios de electrones puede afectar la estructura geométrica de las moléculas y conducir a la formación de moléculas quirales.
Según la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (VSEPR), los pares solitarios de electrones muestran una polaridad negativa significativa debido a su alta densidad de carga y suelen estar más cerca del núcleo que los electrones del par de enlace. Esta repulsión, a su vez, reduce el ángulo entre los pares de enlaces. Por ejemplo, los átomos de oxígeno de la molécula de agua tienen dos pares solitarios de electrones, lo que da como resultado que el ángulo de enlace H-O-H entre los átomos de hidrógeno sea de aproximadamente 104,5 grados, que es menor que la geometría tetraédrica ideal de 109 grados. La fuerte repulsión del par solitario de electrones empuja a los átomos de hidrógeno aún más lejos.
Además de afectar la geometría, los pares solitarios de electrones también pueden contribuir al momento dipolar de la molécula. Por ejemplo, el amoníaco (NH3) forma un enlace polar N-H porque el nitrógeno tiene una electronegatividad mayor que el hidrógeno y el par solitario de electrones refuerza aún más el efecto de este momento dipolar. Por el contrario, el fluoruro de nitrógeno (NF3) tiene un momento dipolar más bajo debido a la mayor electronegatividad del flúor, lo que refleja el papel de los pares solitarios de electrones en diferentes estructuras.
Los pares solitarios de electrones pueden dar a las moléculas diferentes características polares, afectando así sus propiedades químicas.
En algunos casos, los pares solitarios de electrones no sólo ayudan a formar la quiralidad molecular, sino que también pueden crear nuevas estructuras químicas. Por ejemplo, cuando tres grupos diferentes están unidos a un átomo, si ese átomo tiene un par solitario de electrones, ese átomo formará un centro quiral. Vemos este fenómeno en aminas, fosfanos y muchos otros compuestos. Sin embargo, debido a la baja barrera de energía de inversión del nitrógeno, estas moléculas quirales a menudo se interconvierten rápidamente a temperatura ambiente, lo que hace que sea difícil separarlas.
Además, los iones divalentes de metales pesados como el plomo y el estaño también exhiben efectos estereoquímicos de pares de electrones solitarios. Los electrones solitarios del par ns2 de estos metales pesados pueden afectar su estructura de coordinación, dando lugar a formas cristalinas asimétricas. Estudios recientes han descubierto que el comportamiento de este par solitario de electrones puede no estar relacionado con explicaciones anteriores de la hibridación de metales pesados, sino que se ve afectado por el estado electrónico del ligando.
Los pares de electrones solitarios de los metales pesados pueden provocar una distorsión de la estructura de coordinación, lo que demuestra sus complejas propiedades químicas.
En química de soluciones, la participación de pares solitarios de electrones también puede conducir a la formación de reacciones ácido-base. Cuando un ácido se disuelve en agua, el par solitario de electrones del átomo de oxígeno atrae hidrógeno ionizado (ion hidrógeno) para formar el ion hidronio (H3O+). Este proceso, y la interacción entre pares solitarios de electrones en las moléculas, demuestra claramente el papel indispensable de los pares solitarios de electrones en las reacciones químicas.
En los cursos introductorios de química, el par solitario de electrones en la molécula de agua a menudo se describe como "orejas de conejo", lo que de alguna manera visualiza la existencia y el impacto de este par. Sin embargo, en investigaciones químicas más avanzadas, existen explicaciones más complejas que analizan el comportamiento de estos pares solitarios a través de la simetría de las moléculas.
Además, las propiedades de los pares de electrones solitarios no sólo afectan la forma geométrica del compuesto, sino que también están estrechamente relacionadas con interacciones como los enlaces de hidrógeno dentro de la molécula. En el agua, los enlaces de hidrógeno se forman debido a la alta disponibilidad de estos pares solitarios de electrones. Este fenómeno también puede ser una de las fuentes de las propiedades físicas y químicas únicas del agua.
Cuando se trata de describir estructuras moleculares, todavía existe un debate en la comunidad química sobre cómo describir con precisión las moléculas que contienen pares solitarios de electrones. ¿Podría la íntima conexión entre la estructura y las propiedades de estas moléculas conducir a nuevos conocimientos?
