Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

Desde que Frederick Soddy sugiriera en 1913 la posibilidad de la existencia de isótopos, átomos de un elemento químico con distinto número de neutrones en el núcleo, el avance en los métodos analíticos ha venido confirmando que en muchos casos los isótopos se comportan como verdaderos elementos, con una química característica. Ahora un nuevo trabajo publicado en Angewandte Chemie International Edition pone de manifiesto que una sustitución isotópica puede suponer un cambio fundamental en el enlace químico, confirmando de paso la existencia un nuevo tipo de enlace.

Este tipo de enlace químico que podría haberse confirmado fue propuesto hace unos 30 años, pero como ha venido sucediendo con la química de los isótopos, ha sido necesaria una mejora en la precisión de los instrumentos para su confirmación experimental, además de un incremento en la potencia de los métodos químico-cuánticos que permiten realizar los cálculos necesarios.

A comienzos de la década de los ochenta del siglo pasado se propuso que en ciertos estados de transición consistentes en un átomo muy ligero entre dos más pesados el sistema se vería estabilizado, no por las fuerzas de van der Waals convencionales, sino por un nuevo tipo de enlace llamado “vibracional”, en el que el átomo ligero se desplaza entre sus dos vecinos. A pesar de que distintos grupos intentaron confirmar esta hipótesis, finalmente se aparcó por irrealizable.

El grupo de investigadores encabezado por Donald Fleming, de la Universidad de la Columbia Británica (Canadá), cree que tiene la base teórica y las pruebas experimentales para demostrar la existencia de un enlace vibracional estable.

Los investigadores llevaron a cabo una serie de simulaciones de la reacción del bromuro de hidrógeno (BrH) con el bromo (Br) para crear el radical BrHBr. En esta estructura el H es mucho más ligero que los Br que tiene a cada lado. Para poder determinar el efecto de la sustitución isotópica se usó todo un abanico de isótopos del hidrógeno: ¹H (hidrógeno “normal”, H), ²H (deuterio, D), ³H (tritio, T) y ⁴H (helio muónico, resultado de sustituir un electrón en el helio por un muón, una partícula con la masa de unos 200 electrones) y Mu (muonio, un átomo formado por un antimuón que actúa de núcleo y un electrón; este átomo tiene una masa 40 veces menor que la del ⁴H).

A la hora de comparar las distintas moléculas en función de los distintos isótopos el equipo se fijó en dos variables fundamentales: la energía potencial en la superficie de la molécula (simplificando, cuanto menor, más estable es) y un parámetro mecanocuántico, la energía del punto cero vibracional.

Cuando se estudia química, y ciencia en general, se aprende que los sistemas tienden a la menor energía posible. En el caso de una reacción química, se formarán nuevos enlaces, en principio, sólo si las moléculas resultantes son más estables que las de los reactivos, esto es, si la energía del sistema presenta una disminución neta. Desde el punto de vista clásico, esa disminución de energía neta tiene que ser de energía potencial. Sin embargo, en determinadas circunstancias, una disminución de la energía del punto cero vibracional podría ser suficiente para garantizar la estabilidad: y estaríamos ante un enlace vibracional.

Los cálculos químico-cuánticos muestran que cuando están presentes los isótopos más pesados los compuestos (BrDBr, BrTBr y Br ⁴H Br) se estabilizan por interacciones de van der Waals. Sin embargo en el BrMuBr se produce una disminución de la energía del punto cero vibracional que compensa el aumento de la energía potencial, con lo que existiría un enlace vibracional en este compuesto, cuya existencia ya demostró el grupo experimentalmente en un trabajo anterior.

Este estudio, además de dar muy buena base para pensar que existe un nuevo tipo de enlace químico, pone de manifiesto la importancia de los isótopos en la formación de los enlaces químicos, lo que puede tener aplicaciones futuras insospechadas, sobre todo para los isótopos de los elementos ligeros. Además de multiplicar el número de “elementos” en una futura tabla periódica de los isótopos.

Referencias:

Fleming D.G., Kazuma Sato & Toshiyuki Takayanagi (2014). Fundamental Change in the Nature of Chemical Bonding by Isotopic Substitution, Angewandte Chemie International Edition, n/a-n/a. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/anie.201408211

Hadlington, S., Isotope effect produces new type of chemical bond Chemistry World (22/10/2014)

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Esta anotación es una participación de Experientia docet en el XL Carnaval de la Química cuyo blog anfitrión es Ciencia explicada