Número de coordinación en química
Conceptos básicos
En este artículo aprenderemos todo sobre el número de coordinación en química, incluido su significado en moléculas, complejos de iones metálicos y cristales. También hablaremos de las implicaciones de los números de coordinación en la geometría molecular.
Temas tratados en otros artículos
- ¿Qué es el número atómico?
- ¿Qué es un ion?
- Enlaces iónicos frente a enlaces covalentes
- Teoría del enlace de valencia
- Geometría molecular
¿Qué es el número de coordinación?
Los químicos utilizan el término «número de coordinación» (CN) para describir el número de átomos o grupos unidos a un átomo central. Es importante destacar que el número de coordinación se aplica a todas las estructuras químicas en las que intervienen enlaces, incluidas las moléculas, los complejos de iones metálicos y los cristales en estado sólido.
Número de coordinación en moléculas
En las moléculas, el número de coordinación no equivale al número total de enlaces, sino sólo a los enlaces sigma. Por ejemplo, el carbono del metano se une a cuatro hidrógenos, lo que implica cuatro enlaces sigma, por lo que tiene un CN de 4. El carbono de la acetona, sin embargo, sólo tiene un CN de 3, porque tiene tres enlaces sigma, que lo unen a otros tres átomos: dos hidrógenos y un oxígeno. El enlace pi entre el carbono y el oxígeno no influye en el CN.
La configuración de los electrones de valencia es la que más influye en el número de coordinación, especialmente en los no metales. Según la regla del octeto, los carbonos, por ejemplo, tienen cuatro electrones menos de su configuración de gas noble. Así, el carbono es más estable cuando forma cuatro enlaces para llenar su octeto. Sin embargo, como hemos observado, los enlaces pi no cuentan para el CN, a pesar de que también contribuyen a satisfacer la regla del octeto.
Número de coordinación en complejos de iones metálicos
En los complejos de iones metálicos, el número de coordinación indica el número de grupos unidos a un ion metálico central. Los químicos llaman a estos grupos «ligandos» y forman enlaces covalentes coordinados con el metal mediante la donación de un par de electrones. Así, cuando se habla de complejos metálicos, el número de coordinación también recibe el nombre de «ligancia». Si quiere saber más sobre la química de los ligandos y los complejos iónicos, consulte este artículo.
Por ejemplo, el cobre en [Cu(NH3)4(H2O)2] tiene seis ligandos en total, lo que indica un CN o ligancia de 6.
No existe una única tendencia o regla que prediga el número de coordinación de un metal. Sin embargo, los tamaños tanto del ion metálico como de los ligandos tienden a tener la mayor influencia. En concreto, el CN suele ser igual al número de ligandos físicamente capaces de «encajar» alrededor del metal. Así, los metales con radios iónicos mayores pueden aceptar electrones de numerosos ligandos pequeños, lo que da lugar a un CN elevado. Por el contrario, los metales más pequeños y los ligandos más grandes y voluminosos favorecen un número de coordinación bajo.
Número de coordinación en cristales
En los cristales en estado sólido, el número de coordinación describe el número de átomos en las proximidades de un átomo central determinado. Por ejemplo, en los diamantes, un átomo de carbono dado en el interior de la estructura se enlaza con otros cuatro carbonos, lo que da como resultado un CN de 4.
Al igual que en las moléculas, la configuración de los electrones de valencia y la regla del octeto son las que más influyen en el CN de los cristales. Sin embargo, los átomos de la superficie de un cristal en estado sólido se unen a menos átomos que los del interior. Como resultado, el «número de coordinación superficial» de un cristal es menor que el «número de coordinación aparente», que se aplica a los átomos del interior. El CN superficial tiene mucha importancia en la catálisis en estado sólido, ya que indica el número de moléculas reactivas que pueden unirse a la superficie de un sólido.
Número de coordinación y geometría molecular
Es importante destacar que el número de coordinación proporciona información sobre la disposición espacial de los grupos en una sustancia química. Debido a la inhibición estérica, los grupos unidos a átomos centrales se disponen de forma natural con la máxima distancia entre ellos. En los cristales, el CN determina la estructura reticular de la estructura en estado sólido.
Dos grupos se unen a polos opuestos de un átomo central (CN=2), dando lugar a una geometría lineal que maximiza la distancia entre los grupos. Para maximizar la distancia entre tres grupos (CN=3), la molécula expresa una geometría plana trigonal. Para cuatro grupos (CN=4), una geometría tetraédrica maximiza la distancia entre los cuatro, y así sucesivamente. La tabla siguiente muestra la geometría que maximiza la distancia entre grupos en el CN dado:
Sin embargo, todos los números de coordinación en las moléculas tienen geometrías alternativas, aparte de CN=1. Por ejemplo, a pesar de tener un CN=2, el oxígeno del agua tiene una geometría curva, no lineal.
Este fenómeno se explica por la presencia de pares de electrones solitarios en el átomo central. Básicamente, estos pares solitarios actúan como otro grupo, inhibiendo estéricamente a los demás grupos unidos al átomo central. El oxígeno del agua tiene dos pares de electrones solitarios y dos hidrógenos de enlace sigma, lo que suma un total de cuatro «terminales de electrones». Estos cuatro terminales se comportan como los grupos de una molécula con CN=4, lo que da lugar a una «geometría electrónica» tetraédrica. La geometría molecular, sin tener en cuenta los pares solitarios de electrones, permanece curvada.
La estructura curvada del agua, con pares de electrones solitarios.
Si quieres saber más sobre geometría molecular y geometría electrónica, consulta este artículo.