Definición de electrones deslocalizados en química

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En química, los electrones deslocalizados son electrones o pares de electrones pertenecientes a un átomo molécula o ion que no se encuentran confinados a girar en torno a un único átomo o par de átomos enlazados químicamente, sino que tiene cierta libertad de movimiento a través de una molécula o de un sólido. En otras palabras, el término se refiere a electrones que no están localizados en un átomo particular o enlace covalente.

Los electrones deslocalizados pueden ser tanto electrones enlazantes como electrones no enlazantes. También pueden estar presentes tanto en orbitales atómicos como en orbitales moleculares. La clave para la movilidad de los electrones que da origen a la deslocalización es la combinación de distintos orbitales similares entre átomos adyacentes. Esto puede ocurrir por el solapamiento lateral de orbitales p durante la formación del enlace pi en los enlaces covalentes dobles y triples, o se puede dar por la combinación de los orbitales atómicos de los átomos metálicos en el enlace metálico.

Electrones deslocalizados en el enlace covalente

Según la teoría de enlace valencia, el enlace covalente se forma por el solapamiento de los orbitales atómicos de los electrones de valencia de los átomos enlazados. Cuando dos átomos se enlazan covalentemente entre sí compartiendo más de un par de electrones, el primer par de electrones forma el enlace sigma por el solapamiento frontal de dos orbitales atómicos orientados a lo largo del eje que une a ambos átomos.

Sin embargo, el segundo y tercer par de electrones que se comparten en los enlaces dobles y triples, respectivamente, lo hacen gracias al solapamiento lateral de los orbitales atómicos py y pz de dos átomos adyacentes, formando así los enlaces pi. Estos orbitales se encuentran por encima y debajo del eje que une a los átomos y no directamente sobre este eje como en el caso del enlace sigma.

Cuando hay más de un enlace múltiple seguido a lo largo de una cadena de átomos (a los que se les denomina enlaces conjugados), los orbitales p que forman parte de uno de los enlaces pi se solapan también con los orbitales p que forman el siguiente enlace pi, formando así un único enlace pi que abarca a todos los átomos enlazados. Los electrones enlazantes que se encuentran en dichos orbitales (denominados electrones pi) pueden moverse libremente a lo largo de todo el enlace conjugado, por lo que se dice que están deslocalizados.

Deslocalización y resonancia

La deslocalización de los electrones se evidencia claramente al dibujar las distintas estructuras de Lewis de un compuesto químico. En muchas ocasiones, un mismo compuesto se puede representar por medio de más de una estructura de Lewis. Cada una de estas estructuras se puede convertir en las demás por medio del movimiento de electrones pi o de pares de electrones no enlazantes a lo largo de la estructura. A este proceso de transformación de una estructura de Lewis a otra se denomina resonancia, y es una manera gráfica de ver la deslocalización de los electrones.

En muchos casos, la evidencia experimental demuestra que la estructura real no es ninguna de estas estructuras de resonancia individual, sino más bien una combinación de todas las estructuras de resonancia en lo que se denomina híbrido de resonancia. La evidencia experimental de la existencia de un híbrido de resonancia es al mismo tiempo evidencia experimental de la deslocalización de los electrones pi en una molécula.

Representación de los electrones deslocalizados

Cuando representamos gráficamente una molécula que posee electrones deslocalizados, lo hacemos a través de la estructura de resonancia. Como se mencionó anteriormente, esta estructura es una combinación de las estructuras de resonancia individuales en las que todos los enlaces sigma permanecen inalterados; sin embargo, los enlaces pi entre los distintos átomos a veces están y a veces no, por lo que, en promedio, se pueden representar como un intermedio entre un enlace covalente doble y uno simple.

La primera estructura de resonancia postulada fue la estructura del benceno propuesta por Kekulé. En ella, los electrones pi no se encontraban localizados en tres enlaces pi, sino que se encontraban girando libremente alrededor de la molécula.

Definición de electrones deslocalizados en química

Electrones deslocalizados en el enlace metálico

Los metales conforman el mayor grupo de elementos de la tabla periódica. Estos se caracterizan por presentar una alta conductividad eléctrica, lo cual demuestra que los electrones de los átomos que conforman a un metal tienen una gran libertad de movimiento; en otras palabras, están deslocalizados. En este caso, la deslocalización de los electrones se debe a las características del enlace metálico. Hay dos teorías que explican el enlace metálico y sus propiedades: la teoría del gas electrónico (también denominada teoría de la nube electrónica o del mar de electrones) y la teoría de bandas.

Teoría del gas electrónico

En la teoría del gas electrónico se consideran los sólidos metálicos como una red cristalina formada por cationes que han perdido sus electrones de valencia, los cuales fluyen libremente en los intersticios de la red cristalina como si se tratara de un gas formado por electrones (un gas electrónico) que difunde a través de un medio poroso.

En esta teoría, cada átomo metálico pierde su electrón o electrones de valencia, por lo que los mismos ya no se encuentran localizados en un solo sitio en el sólido. Como consecuencia, se dice que estos electrones están deslocalizados.

Teoría de bandas

La teoría de bandas es una aplicación particular de la teoría de los orbitales moleculares al enlace metálico. En esta teoría se considera al metal como una molécula tridimensional formada por N átomos enlazados entre sí. El enlace metálico se explica por medio del solapamiento de los orbitales atómicos de cada uno de los átomos que forman esta macromolécula metálica, formando así un conjunto de N orbitales moleculares.

Estos orbitales moleculares pueden ser enlazantes, antienlazantes y no enlazantes. El gran número de orbitales moleculares que se forman terminan dando origen a una banda de orbitales con niveles de energía casi continuos entre unos y otros.

Definición de electrones deslocalizados en química

La combinación adicional de los orbitales p o d vacíos también da origen a bandas de orbitales enlazantes y antienlazantes vacíos; en el caso de los metales, estos se solapan con los orbitales moleculares ocupados por electrones de valencia de los átomos que forman el sólido. Este solapamiento permite que estos electrones de valencia puedan promoverse fácilmente a los orbitales vacíos que abarcan todo el sólido, permitiendo así que se muevan libremente a través del mismo sólido, explicando la conductividad de los metales.

Ejemplos de electrones deslocalizados

Electrones pi del grafito

El grafito es un sólido molecular formado por capas de átomos de carbono enlazados entre sí formando una red hexagonal de átomos con hibridación sp2. En cada una de estas capas, el orbital pz de cada átomo de carbono se solapa con los orbitales pz de los tres átomos vecinos, formando un sistema de electrones pi que abarca toda la superficie de la capa. El apilamiento de capa sobre capa da como resultado un sistema de electrones deslocalizados extenso que proporciona al grafito una alta conductividad a lo largo del plano que forman las capas.

Lo contrario sucede en el caso del otro alótropo común del carbono, el diamante. Este consiste en una red tridimensional de átomos de carbono con hibridación sp3 en la que todos los átomos de carbono forman enlaces sigma en los que los electrones están perfectamente localizados, lo que hace que el diamante sea uno de los mejores aislantes eléctricos que se conocen.

Los electrones 3s del sodio

El sodio es un metal alcalino que posee un solo electrón de valencia en el orbital 3s. Sea que veamos el enlace entre los átomos de sodio desde el punto de vista de la teoría del gas electrónico o desde el punto de vista de la teoría de bandas, el electrón de valencia 3s de cada átomo de sodio posee total libertad de movimiento a lo largo del metal, representando un ejemplo de electrones deslocalizados.

Los 10 electrones pi del naftaleno

Al igual que el benceno y los demás compuestos orgánicos, los electrones pi del naftaleno se encuentran deslocalizados y se mueven libremente a lo largo de la superficie de la molécula de 10 átomos de carbono.

Definición de electrones deslocalizados en química

Referencias

Chang, R. (2021). Quimica (11.a ed.). MCGRAW HILL EDUCATION.

Electrón deslocalizado. (s. f.). TextosCientíficos.com. https://wikioes.icu/wiki/delocalized_electron

Ledesma, J. M. (2019, 11 octubre). La Caracterización Estructural del Benceno de Kekulé: un Ejemplo de Creatividad y Heurística en la Construcción del Conocimiento Químico. Unesp. https://www.redalyc.org/journal/2510/251063568018/html/

Química.ES. (s. f.). Deslocalización_electrónica. Química.es. https://www.quimica.es/enciclopedia/Deslocalizaci%C3%B3n_electr%C3%B3nica.html

Quimitube. (s. f.). Introducción al enlace metálico: modelo del mar de electrones | Quimitube. Quimitube.com. https://www.quimitube.com/videos/introduccion-al-enlace-metalico-modelo-del-mar-de-electrones-o-del-gas-electronico/

Textos Científicos. (2006, 16 mayo). Teoría de bandas. TextosCientíficos.com. https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/teoria-bandas

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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