R.C. Smith
Este era uno de mis tipos de preguntas favoritos cuando aprendía por primera vez la física de la química. La respuesta es que hay varias razones por las que el cloruro de sodio (NaCl) se disuelve en el agua pero no el dióxido de silicio.
- i) Cloruro de sodio
Empecemos por pensar primero en el cloruro de sodio (NaCl), más conocido como sal, o sal de mesa.
El NaCl es un compuesto iónico. De hecho, podemos describirlo en términos de su estructura iónica gigante. La estructura iónica del NaCl es tan grande que no sabemos exactamente cuántos iones hay. Estos compuestos iónicos gigantes como el NaCl están potencialmente formados por miles de millones o incluso trillones de iones de sodio e iones de cloruro comprimidos o compactados. Por esta razón, algunos lo describen como un entramado infinito, o infinitamente repetitivo, de iones, de tal manera que el número de iones depende del tamaño del cristal.
Además, la estructura iónica gigante del NaCl puede considerarse como bastante diferente de las moléculas más comúnmente estructuradas, que contienen una receta exacta de átomos. Por ello, el NaCl se considera un caso clásico de enlace iónico, en el que los átomos transfieren o comparten electrones de valencia. Esto se puede visualizar mediante un diagrama de Lewis:
El cloruro de sodio tiene un fuerte compuesto iónico. Para invocar la física, podemos decir que esto se debe a que existe una fuerte fuerza electrostática entre los iones de carga opuesta (cationes y aniones). Esto es generalmente cierto cuando los metales (en este caso, el sodio) reaccionan con los no metales (en este caso, el cloruro).
Podemos explicar estas fuerzas electrostáticas, así como la fuerza del compuesto iónico de los cloruros de sodio, citando la Ley de Coulomb. Esta ley de la física describe la fuerza entre dos partículas cargadas eléctricamente de forma estática.
A pesar de su fuerte compuesto iónico, el NaCl se disuelve en H2O. La reacción tiene este aspecto:
NaCl(sólido) + H2O -> Na+(acuoso) + Cl-(acuoso) + H2O
Nota que hay disociación. La razón por la que el sodio y el cloruro se disocian tiene que ver con varios factores:
En primer lugar, el agua es una molécula polar. De hecho, es muy polar. Esto significa que una molécula de agua tiene una disposición asimétrica de cargas parciales positivas y parciales negativas que forman enlaces polares (abajo hay un diagrama que he esbozado con fines ilustrativos).
Como sabemos, el agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Los enlaces atómicos en el H2O son enlaces covalentes, lo que significa que los electrones se comparten. Esto hace que los electrones que permanecen más cerca del átomo de oxígeno reciban una carga negativa, mientras que el átomo de hidrógeno tiende a tener una carga positiva.
El NaCl, por otro lado, está formado por iones de sodio positivos e iones de cloruro negativos. Por lo tanto, los extremos polares de la molécula de agua atraen a sus partes de carga opuesta del NaCl. Más concisamente, las moléculas de agua con carga positiva atraen a los iones de cloruro negativos y las moléculas de agua con carga negativa atraen a los iones de sodio positivos.
La razón por la que la sal se disuelve en el agua se debe, por tanto, a cómo, los iones de sodio con carga positiva son atraídos por la zona polar negativa de la molécula de agua. Del mismo modo, los iones de cloruro con carga negativa son atraídos por la zona polar positiva de la molécula de agua. Estas fuerzas de atracción con la molécula de agua superan las fuerzas entre los iones de sodio positivos y los iones de cloruro negativos, por lo que se produce la disociación y el compuesto iónico de NaCl pasa a la solución.
- ii) Dióxido de silicio
Pero, ¿qué ocurre con el dióxido de silicio (SiO2)?
El dióxido de silicio tiene una estructura covalente gigante. Esta estructura covalente, o macromolécula, está formada por átomos de oxígeno y silicio.
El compuesto de silicio y oxígeno para formar el SiO2 tiene una proporción de dos átomos de oxígeno por cada átomo de silicio. De forma más concisa, cada átomo de silicio se une covalentemente a cuatro átomos de oxígeno, mientras que cada átomo de oxígeno se une covalentemente a dos átomos de silicio. En general, los enlaces covalentes se forman cuando el elemento comparte sus cuatro electrones de valencia, ns2np2, dando lugar a la formación de cuatro enlaces covalentes (Clugston y Flemming, 2015).
El dióxido de silicio, o sílice, es muy duro. De ahí su estructura de diamante. Esto tiene que ver con la fuerza de los enlaces covalentes, con átomos de oxígeno entre cada par de átomos de silicio. Esta fuerza depende en gran medida de la electronegatividad de los átomos en la medida en que la electronegatividad es la fuerza entre los electrones compartidos en el enlace covalente entre los átomos de silicio y oxígeno.
Además, el SiO2 no es una molécula. Es un sólido atómico covalente en red. Este entramado gigante de átomos enlazados covalentemente puede ilustrarse para que se parezca a una red covalente en 3D:
En el sentido de que el SiO2 es un sólido atómico covalente en red (en condiciones normales), esta estructura covalente gigante tiene enlaces covalentes muy fuertes. Estos enlaces son difusos o están repartidos por toda la estructura.
La razón de que haya una fuerte electronegatividad tiene que ver con los átomos de oxígeno, que proporcionan una fuerza de atracción más fuerte sobre los electrones que los átomos de silicio, adquiriendo una carga negativa parcial. Además, los electrones están fuertemente compactados, por lo que el SiO2 no es conductor (a no ser que esté fundido). Por otra parte, el SiO2 tiene una alta energía de red.
Todo esto contribuye a que el dióxido de silicio no sea soluble en agua. En relación con el enlace en particular, el SiO2, o arena de sílice, es insoluble porque las fuerzas de atracción de las moléculas de agua no son lo suficientemente fuertes como para romper los enlaces covalentes entre los átomos de silicio y oxígeno. En términos más precisos, no hay atracción entre las moléculas polares de agua y los átomos de silicio u oxígeno debido a la no polaridad del SiO2. Esto se debe a que, a pesar de que los enlaces silicio-oxígeno son muy polares, la geometría de la molécula -hay cuatro enlaces silicio-oxígeno que anulan el dipolo- hace que los momentos dipolares se cancelen dando lugar a la no polaridad.
En conclusión, mientras que el cloruro de sodio (NaCl) se disuelve en el agua debido a que las fuerzas de atracción con las moléculas polares de agua superan a las fuerzas entre los iones positivos de sodio y los negativos de cloruro, dando lugar a la disociación; el dióxido de silicio (SiO2) no se disuelve debido a que es una estructura covalente gigante en la que los momentos dipolares se cancelan dando lugar a la no polaridad.
Atkins, P., y De Paula, J. (2013). Elementos de física química. Oxford University Press. Oxford, Reino Unido.
Chemguide: http://www.chemguide.co.uk/atoms/structures/giantcov.html
Clayden, J. Greeves, N., Warren, S. (2012). Química orgánica. Oxford University Press. Oxford, Reino Unido.
Clugston, M., y Flemming, R. (2015). Advanced Chemistry (Química avanzada). Oxford University Press. Oxford, Reino Unido.
Hiperfísica: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/molecule/NaCl.html#c1
Lister, T. y Renshaw, J.. (2015). AQA Chemistry. Oxford University Press. Oxford, UK.
Weller, M., Overton, T., Rourke, J., y Armstrong, F. (2014). Inorganic Chemistry (Química inorgánica). Oxford University Press. Oxford, UK.