Estructuras Macromoleculares y Moleculares de los Elementos

Los átomos se unen entre sí formando una estructura continua. Un cristal de este tipo constituye una única molécula. Estas estructuras tienen altos puntos de fusión y ebullición debido a la gran cantidad de energía que debe ser absorbida para poder romper la red covalente.

Elementos:

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

Hay una unidad estructural básica formada por pocos átomos que constituyen una única molécula. Estas estructuras tienen bajos puntos de fusión y ebullición, que suelen aumentar con la masa molecular debido al aumento de la intensidad de las fuerzas de dispersión.

Tipos de moléculas:

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

En sus formas elementales, los elementos del bloque adoptan estructuras macromoleculares, como moleculares.

Algunas estructuras del estado elemental

Oxígeno

• Es el elemento más abundante de la corteza terrestre (46% en masa). La atmósfera contiene un 23%.
• 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

• Gas inodoro, incoloro, insípido.
• Oxidante fuerte.
• Molécula apolar. Entre las moléculas se establecen fuerzas de dispersión. Bajos puntos de fusión y ebullición. 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

• 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, 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 O2 permanece inerte, siendo solo superado por el F2.

Azufre

• 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 H20), 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 son 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

• 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 -196ºC y -183ºC, 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

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

• Fósforo blanco: estructura molecular de moléculas P4. Sustancia blanda, parafinosa, de bajo punto de fusión (44º) y ebullición (280ºC). Muy reactivo, se almacena sumergido en agua para protegerlo del O2. Es extremadamente tóxico.
• Fósforo rojo: forma en la que se encuentra normalmente en los laboratorios. Estructura macromolecular, mucho menos tóxico y menos reactivo que el blanco. Punto de fusión más elevado (590ºC).

Carbono

El carbono tiene dos formas alotrópicas macromoleculares: el diamante y el grafito. Ambos poseen puntos de fusión muy elevados, por encima de 3500ºC.

Desde mediados de la década de los 80 se conocen otras tres formas alotrópicas, basadas en la estructura del grafito:

• Macromoléculas de carbono individuales, con estructuras cerradas formadas por varias decenas de átomos de carbono únicamente (C20-C60). Pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos.
• Estructura laminar plana (hibridación sp2).
• Estructura intermedia entre sp2 y sp3.