Què és un enllaç químic?

El Premi Nobel de Química de 1987, Jean Marie Lehn, diu que el químic és l’arquitecte de la matèria. Efectivament, el químic es dedica a transformar la matèria per obtenir substàncies que tinguin propietats determinades com ara més resistència, flexibilitat, conductivitat, utilitat com a fàrmacs… En el procés de transformació de la matèria el químic la modifica trencant determinats enllaços químics i formant-ne d’altres. L’enllaç químic és doncs un dels conceptes més fonamentals de la química moderna.

Recentment a la revista Chemical & Engineering News s’ha publicat un article en el que s’ha preguntat a vint-i-quatre químics de renom què pensaven que era un enllaç químic i com ho explicarien a un membre de la seva família. El resultat és interessant. Queda molt clar que no hi ha una definició única d’enllaç químic i que, malgrat es tracti d’un concepte del que no podem prescindir, és de difícil definició rigurosa. En canvi, quan es tracta d’explicar-ho a un familiar quasi tots els químics fan ús de l’analogia de la goma d’enganxar. L’enllaç químic és la cola que uneix els àtoms en les molècules. Sorprèn (des del meu punt de vista positivament) que ningú faci referència als punts crítics d’enllaç de la teoria de Bader en el moment de definir què és un enllaç químic.

De les vint-i-quatre respostes, n’hi ha quatre que m’agradaria destacar:

1. Anthony J. Arduengo III i Arnold L. Rheingold fan servir una definició d’enllaç químic basada en l’energia. Si A i B són dos fragments que formen la molècula AB, entre A i B hi ha enllaç quan per provocar el trencament de la molècula AB en els fragments A i B cal proporcionar una determinada quantitat d’energia (l’anomenada energia de dissociació). Es una definició molt habitual però té un problema. En determinades molècules, el trencament en dos fragments és exotèrmic (allibera energia). Es el cas del N₂²⁺, on el trencament en dos fragments N⁺ allibera energia. El N₂²⁺, en canvi, és estable (es diu que és metastable) i se l’ha de considerar una molècula amb un enllaç N-N a tots els efectes. Val a dir que el N₂²⁺ forma part de l’atmosfera de Tità (lluna de Saturn) en quantitats no menyspreables.
2. Roald Hoffmann, premi Nobel de Química el 1981, creu que una definició precisa de l’enllaç químic empobriria el concepte. Demana que els químics ens mantinguem al corrent de les diferents mesures experimentals i teòriques que hi ha. Opina que cal respectar la tradició química, relaxar-se, i en comptes de queixar-se amargament que aquest concepte no tingui una definició inequívoca, divertir-se amb la riquesa difusa de la idea. Com sempre Hoffmann destil·la sabiduria en els seus comentaris.
3. Anastassia N. Alexandrova recorre a la vella definició de Pauling sobre enllaç químic. Pauling, premi Nobel de Química el 1954 i premi Nobel de la Pau el 1962, va definir l’enllaç químic en el seu llibre “The Nature of the Chemical Bond” (1939) de la següent manera:  Hi ha un enllaç químic entre dos àtoms o grups d’àtoms en el cas que les forces que actuen entre ells siguin prou intenses com per donar lloc a la formació d’un agregat amb suficient estabilitat perquè sigui convenient per al químic considerar-lo com una espècie molecular independent. Han passat quasi 75 anys des d’aquesta definició i em sembla que no s’ha pogut millorar. Usant aquesta definició el N₂²⁺ és clarament una molècula amb un enllaç químic N-N.

Abans d’acabar tres comentaris més sobre l’enllaç químic:

1. No és cert que hi hagi una relació inversa entre distància d’enllaç i fortalesa d’enllaç. Per exemple el KF amb una distància d’enllaç de 2.171 Å té una energia de dissociació superior en unes 3 kcal/mol al NaF que té una distància d’enllaç menor (1.925 Å). Ja sé que em direu que no són molècules comparables perquè el radi iònic del K és mes gran que el del Na i teniu raó. Però, i si us dic que el Li₂ amb una distància Li-Li de 2.2 Å té una energia de dissociació de 23 kcal/mol mentre que el Li₂⁺ amb una distància de 3.1 Å té una energia de disociació de 29 kcal/mol? Un exemple ben interessant que clarament demostra que hi ha excepcions a la relació habitual entre distància d’enllaç i fortalesa d’enllaç. Un situació semblant la trobem al comparar els sistemes (NH₄)₂ i (NH₄)₂⁺. De fet en un article molt recent de Nature Commun. es demostra que en determinats complexes de or, hi ha una relació directa entre fortalesa de l’enllaç i distància d’enllaç (més distància, més fortalesa).
2. L’enllaç químic més llarg que es coneix és el de la molècula d’He₂. La distància d’enllaç ha estat mesurada per uns físics i és de 52 ± 4 Å amb una energia de dissociació de 2.1×10^-6 kcal/mol. No cal dir-vos que un químic no considerarà mai que hi hagi enllaç entre dos àtoms situats a distàncies tan grans i amb una energia de dissociació tan petita. Com sempre els físics tan a prop i tan lluny alhora.
3. En aquests moments i gràcies a les millores en el microscopi de forces atòmiques (AFM) ja podem visualitzar enllaços. Recentment ha sortit un estudi on mostren per AFM l’existència d’enllaços d’hidrogen que són enllaços intermoleculars relativament febles i que per primer cop podem visualitzar tal com es mostra a les espectaculars imatges de la Figura 1.