Enlace sigma: qué es, cómo se forma, características, ejemplos
¿Qué es el enlace sigma?
El enlace sigma (representado como σ) es una unión de tipo covalente, el cual se caracteriza por la compartición de dos electrones que se da entre un par de átomos para formar dicho vínculo. Además, esta es una clase de enlace simple, en el que ambos átomos se encuentran adheridos mediante dos electrones formando una única unión.
Cuando se combinan dos o más átomos para dar origen a nuevos compuestos moleculares, estos se unen por medio de dos tipos de enlaces: los iónicos y los covalentes, cuya estructura depende de cómo se comparten los electrones entre ambos átomos que intervienen en este acoplamiento.
La conexión generada a través de los electrones se lleva a cabo gracias al solapamiento de los orbitales que pertenecen a cada átomo (por sus extremos), entendiendo como orbitales a los espacios donde es más probable localizar al electrón en el átomo y que están definidos por la densidad electrónica.
¿Cómo se forma un enlace sigma?
De manera típica, se conoce que el enlace sencillo entre dos átomos es equivalente a un único vínculo de tipo sigma.
Asimismo, estos enlaces se originan debido a la superposición o traslape de manera frontal que se da entre los extremos de los orbitales atómicos de dos átomos distintos.
Estos átomos cuyos orbitales se superponen deben encontrarse en posiciones adyacentes el uno del otro, de manera que los electrones individuales que pertenecen a cada orbital atómico puedan realizar una unión efectiva y formar así el enlace.
De aquí nace el hecho de que la distribución electrónica que se manifiesta o la localización de la densidad de los electrones proveniente de cada superposición, posee una simetría de forma cilíndrica en torno al eje que se produce entre ambas especies atómicas enlazadas.
En este caso, el orbital denominado sigma puede expresarse más fácilmente en términos de enlaces intramoleculares que se forman dentro de las moléculas diátomicas, haciendo notar que existen también varios tipos de enlaces sigma.
Los tipos de enlace sigma observados más comúnmente son: dz2+dz2, s+pz, pz+pz y s+s; donde el subíndice z representa el eje constituido por el enlace formado y cada letra (s, p y d) corresponde a un orbital.
Formación de enlaces sigma en distintas especies químicas
Cuando se habla de orbitales moleculares se hace referencia a las regiones que acumulan mayor densidad electrónica al formarse un enlace de este tipo entre moléculas diferentes, obteniéndose por medio de la combinación de orbitales atómicos.
Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, los estudios han inferido que los orbitales de tipo molecular que exhiben un comportamiento simétricamente igual, en realidad son combinados en mezclas (hibridaciones).
Sin embargo, la trascendencia de esta combinación de orbitales está íntimamente relacionada con las energías relativas que manifiestan los orbitales de tipo molecular que son simétricamente parecidos.
En el caso de las moléculas orgánicas, se observan frecuentemente especies cíclicas constituidas por una o más estructuras de anillos, que con frecuencia se constituyen por una gran cantidad de enlaces de tipo sigma en conjunción con uniones de tipo pi (enlaces múltiples).
De hecho, utilizando cálculos matemáticos sencillos, es posible determinar el número de enlaces sigma presentes en una especie molecular.
También se dan los casos de compuestos de coordinación (con metales de transición), n los que se combinan enlaces múltiples con diferentes clases de interacciones de enlace, así como de moléculas conformadas por distintos tipos de átomos (poliatómicas).
Características del enlace sigma
Los enlaces sigma poseen características únicas que los diferencian claramente de otros tipos de unión covalente (enlace pi), entre las que se encuentra el hecho de que este tipo de enlace es el más fuerte entre las uniones químicas de clase covalente.
Esto se debe a que el traslape entre los orbitales ocurre de manera directa, coaxial (o lineal) y frontal; es decir, se obtiene un traslape máximo entre los orbitales.
Adicionalmente, la distribución electrónica en estas uniones se concentra principalmente entre los núcleos de las especies atómicas que son combinadas.
Este traslape de orbitales sigma ocurre de tres maneras posibles: entre un par de orbitales puros (s-s), entre un orbital puro y uno de tipo híbrido (s-sp) o entre un par de orbitales de tipo híbrido (sp3– sp3).
La hibridación se da gracias a la mezcla de orbitales de origen atómico de diferentes clases, obteniéndose que el orbital híbrido resultante depende de la cantidad de cada uno de los tipos de orbitales puros de partida (por ejemplo, sp3 = un orbital puro s + tres orbitales puros de tipo p).
Además de esto, el enlace sigma puede existir de manera independiente, así como admitir el movimiento de rotación de manera libre entre un par de átomos.
Ejemplos de enlaces sigma
Como el enlace covalente es la clase más común de unión entre átomos, el enlace sigma se encuentra en una enorme cantidad de especies químicas, como se puede observar a continuación.
En las moléculas de gases diatómicos —como el hidrógeno (H2), el oxígeno (O2) y el nitrógeno (N2)— se pueden presentar distintos tipos de enlace dependiendo de la hibridación de los átomos.
En el caso del hidrógeno existe un único enlace sigma uniendo ambos átomos (H–H), debido a que cada átomo aporta su único electrón.
Por otro lado, en el oxígeno molecular ambos átomos se encuentran unidos mediante un enlace doble (O=O) —es decir, un enlace sigma— y uno pi, dejando cada átomo sus con tres pares de electrones restantes apareados.
En cambio, cada átomo de nitrógeno posee cinco electrones en su nivel energético más externo (capa de valencia), así que se unen mediante un enlace triple (N≡N), que implica la presencia de un enlace sigma y dos enlaces pi y un par de electrones apareados en cada átomo.
Del mismo modo, se da en compuestos de tipo cíclico con enlaces simples o múltiples y en todo tipo de moléculas cuya estructura esté constituida por enlaces covalentes.