POR QUÉ SE UNEN LOS ÁTOMOS? TIPOS DE ENLACES

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1 EL ENLACE QUÍMICO CONTENIDOS 1.- Por qué se unen los átomos? Tipos de enlace. 2.- Enlace iónico Energía reticular Ciclo de Born-Haber Estructura cristalina de los compuestos iónicos. 3.- Propiedades de los compuestos iónicos. 4.- El enlace covalente Teoría de Lewis. Representación de Lewis usando la regla del octeto (repaso) Resonancia Modelo de repulsión de pares de electrones. Geometría Polaridad en moléculas covalentes. Momento dipolar. 5.- Teoría del enlace de valencia. 6.- Hibridación Hibridación sp Hibridación sp Hibridación sp Enlaces múltiples (dobles y triples). 7.- Teoría de orbitales moleculares (➋). 8.- Propiedades de los compuestos covalentes. 9.- Enlaces intermoleculares Fuerzas de Van der Waals Enlace de hidrógeno Enlace metálico Modelo de deslocalización electrónica (repaso) Teoría de bandas Propiedades de los metales. POR QUÉ SE UNEN LOS ÁTOMOS? Los átomos, moléculas e iones y se unen entre sí porque al hacerlo se llega a una situación de mínima energía, lo que equivale a decir de máxima estabilidad. Son los electrones más externos, los también llamados electrones de valencia los responsables de esta unión, al igual que de la estequiometría y geometría de las sustancias químicas. TIPOS DE ENLACES Iónico (entre iones). Covalente (entre átomos de una misma molécula). Intermoleculares: Fuerzas de Van de Waals Enlaces de hidrógeno. Metálico (entre cationes metálicos unidos por e ). F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 1 de 26

2 ENLACE IÓNICO Se da entre un metal que pierde uno o varios electrones y un no-metal que los captura, resultando iones positivos y negativos que se mantienen unidos por atracciones electrostáticas, formando los iones una red cristalina que se repite en la tres direcciones del espacio, no formándose moléculas con un número limitado de iones, por lo que las fórmulas de los compuestos iónicos son empíricas, es decir, sólo dan idea de las proporción de átomos existentes en la red cristalina. Las reacciones de pérdida o ganancia de e se llaman reacciones de ionización. Ejemplo de reacciones de ionización: Na 1 e Na + O + 2e O 2 Reac. global: O + 2 Na O Na +. Y la formula del compuesto será: Na 2 O. Energía reticular en los compuestos iónicos (U o E r ) También llamada energía de red. Es la energía desprendida en la formación de un mol de compuesto iónico sólido a partir de sus iones en estado gaseoso. Ejemplo: En el caso de la formación de NaCl la U o E r corresponde a la reacción: Na + (g) + Cl (g) NaCl (s) (U < 0) Es bastante difícil de calcular por lo que se recurre a métodos indirectos aplicando la ley de Hess. Es lo que se conoce como ciclo de Born y Haber. Los factores de los que depende la energía reticular son (al ser siempre negativa consideraremos siempre valores absolutos). A mayor carga de los iones mayor U. Así el CaO (Ca 2+ y O 2 ) tendrá U mayor que el NaCl (Na + y Cl ). A menor tamaño de los iones menor U. Así el NaCl (Na + y Cl ) tendrá U mayor que el KBr (K + y Br ). Ciclo de Born y Haber La reacción global de formación de NaCl es: Na (s) + ½ Cl 2 (g) NaCl (s) ( H f = kj) que puede considerarse suma de las siguientes reacciones: Na (s) Na (g) ½ Cl 2 (g) Cl (g) Cl (g) Cl (g) ( H subl = kj) (½ H dis = kj) ( H AE = kj) F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 2 de 26

3 Na (g) Na + (g) ( H EI = kj) Na + (g) + Cl (g) NaCl (s) (U =?) De donde puede deducirse que: U = H f ( H subl + ½ H dis + H AE + H EI ) U = kj (107 8 kj kj kj kj) = kj Puedes ver aquí una animación si tienes el Flash instalado: Ciclo de Born-Haber ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS COMPUESTOS IÓNICOS. Los iones en los compuestos iónicos se ordenan regularmente en el espacio de la manera más compacta posible. Cada ion se rodea de iones de signo contrario dando lugar a celdas o unidades que se repiten en las tres direcciones del espacio. Índice de coordinación Es el número de iones de signo opuesto que rodean a un ion dado. Cuanto mayor es un ion con respecto al otro mayor es su índice de coordinación. Principales tipos de estructura cristalina NaCl PRINCIPALES TIPOS DE REDES IÓNICAS CsCl CaF 2 NaCl (cúbica centrada en las caras para ambos iones). Índice de coordinación para ambos iones es 6. CsCl (cúbica para ambos iones). Índice de coordinación para ambos iones = 8 CaF 2 (cúbica centrada en las caras para el Ca 2+ y tetraédrica para el F ).Índice de coordinación para el F = 4 y para el Ca 2+ = 8. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 3 de 26

4 Factores de los que depende la estructura cristalina.. Ejemplo: El tamaño de los iones. La estequiometría que viene dada por la carga de los iones de forma que el cristal sea neutro. Para calcular el nº de átomos por celda se toma una celda unidad y: Se divide por 8 el nº de iones de los vértices. Se divide por 4 el nº de iones de las aristas. Se divide por 2 el nº de iones centrales de las caras. Se suman todos y se añaden los iones del interior de la celda. Calcular el nº de cationes y aniones que hay en las celdas de NaCl, CsCl y CaF 2 NaCl: Cl : 1 ion en cada vértice (8/8 = 1) + 1 ion en el centro de cada cara (6/2 = 3). En total, = 4. Na + : 1 ion en el centro de cada arista (12/4 = 3) + 1 ion en el centro del cubo (1). En total, = 4. CsCl: Cl : 1 ion en cada vértice (8/8 = 1). En total, 1. Cs + : 1ion en el centro del cubo (1). En total, 1. CaF 2 : Ca 2+ : 1 ion en cada vértice (8/8 = 1) + 1 ion en el centro cada cara (6/2 = 3). En total, = 4. F : 8 iones en el interior de cada celda (8). En total, 8. Hay por tanto el doble F que Ca 2+ lo que explica su estequiometría. PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS IÓNICOS. Puntos de fusión y ebullición elevados (tanto más cuanto mayor energía reticular), ya que para fundirlos es necesario romper la red cristalina tan estable por la cantidad de uniones atracciones electrostáticas entre iones de distinto signo. Por ello, los compuestos iónicos son sólidos a temperatura ambiente. Gran dureza por la misma razón, ya que para rayar un cristal es necesario romper su estructura cristalina. Solubilidad en disolventes polares (tanto más cuanto menor U) puesto que dichos disolventes al presentar cargas son capaces de introducirse en la estructura cristalina y estabilizar los iones por atracción ióndipolo. Por la misma razón, presentan insolubilidad en disolventes apolares. Conductividad en estado disuelto o fundido ya en dichos estados los iones presentan Solubilidad de un cristal iónico Grupo ANAYA. Química 2º Bachillerato. movilidad y son atraídos hacia los electrodos de signo contrario. Sin embargo, en estado sólido, al estar los iones fijos dentro de la estructura cristalina no conducen la electricidad. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 4 de 26

5 Fragilidad, pues al golpear ligeramente el cristal produciendo el desplazamiento de tan sólo un átomo, todas las fuerzas que eran atractivas se convierten en repulasivas al enfrentarse dos capas de iones del mismo signo. ENLACE COVALENTE. presión Fragilidad en un cristal iónico Grupo ANAYA. Química 2º Bachillerato. Dos átomos unidos mediante enlace covalente tienen menos energía que los dos átomos aislados. Al igual que en el enlace iónico la formación de un enlace covalente va acompañada de un desprendimiento de energía. Se llama energía de enlace a la energía necesaria para romper 1 mol de un determinado tipo de enlace. Es siempre endotérmica (positiva) pues siempre es necesario aportar energía para romper un enlace. Por ejemplo, para romper 1 mol de H 2 (g) en 2 moles de H (g) se precisan 436 kj, por lo que E enlace (H H) = H dis (H 2 ) = kj La distancia a la que se consigue mayor estabilidad se llama distancia de enlace. TEORÍA DE LEWIS Se basa en las siguientes hipótesis: Los átomos para conseguir 8 e en su última capa comparten tantos electrones como le falten para completar su capa (regla del octeto). Cada pareja de e compartidos forma un enlace. Se pueden formar enlaces sencillos, dobles y triples con el mismo átomo. Excepciones a la teoría de Lewis Ejemplo: Moléculas tipo NO y NO 2 que tienen un número impar de electrones. Moléculas tipo BeCl 2 o BF 3 con marcado carácter covalente en las cuales el átomo de Be o de B no llegan a tener 8 electrones. Moléculas tipo PCl 5 o SF 6 en las que el átomo central puede tener 5 o 6 enlaces (10 o 12 e ). Sólo puede ocurrir en el caso de que el no-metal no esté en el segundo periodo, pues a partir del tercero existen orbitales d y puede haber más de cuatro enlaces. Escribir las estructuras de Lewis completas para las siguientes especies químicas: CH 4, HCN, H 2 CO, Cl 2 O, NH 4 + y H 2 SO 4. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 5 de 26

6 H H x CH 4 C + 4 x H H x C x H ; H C H HCN H C N : x H H H xx + H 2 CO H C=O : Cl 2 O : Cl x O x Cl : NH 4 H N + H xx H H : O : : O : : O : xx H 2 SO 4 H x O x S x O x H ; H O S O H ; H O S O H (excepción Lewis) xx : O : : O : : O : RESONANCIA. En muchas ocasiones, no existe una única estructura de Lewis que pueda explicarlas propiedades de una molécula o ion. Por ejemplo, el ion carbonato CO 3 2 debería tener una estructura en la que el átomo central, el carbono en este caso, formara un doble enlace con uno de los átomos de oxígeno y sendos enlaces sencillos con los átomos de oxígeno que soportan la carga negativa tal y como se ve en dibujo de la izquierda. Sin embargo, esto conllevaría a que las distancias C O y C=O deberían ser distintas, y tal y como se verá a continuación, los ángulos de enlace, también deberían ser distintos. Por difracción de rayos X se sabe que las distancias entre el átomo de carbono y cada átomo de oxígeno so iguales, así como los ángulos O C O. Para explicar tales datos, se supone que los e de enlace así como los pares electrónicos sin compartir, pueden desplazarse a lo largo de la molécula o ion, pudiendo formar más de una estructura de Lewis distinta. En el caso del ion CO 3 2, se podrían formar tres estructuras de Lewis en las que el doble enlace se formara con cada uno de los átomos de oxigeno, siendo las tres válidas. Cada una de estas formas contribuye por igual al la estructura del ion CO 3 2, siendo la verdadera estructura una mezcla de las tres. Por tanto, los tres enlaces C O tienen 1 / 3 de doble enlace, por lo que la distancia es intermedia Igualmente, los tres átomos de oxígeno participar de 2 / 3 de carga negativa. Además de F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 6 de 26

7 utilizar el símbolo entre las distintas formas resonantes, también se utiliza una única forma mezcla de todas, en el que aparecen el signo que indica enlace intermedio entre sencillo y doble y las fracciones de carga con δ. Ejercicio A: Escribir las distintas formas resonantes del ácido nítrico. MODELO DE REPULSIÓN DE PARES ELECTRÓNICOS Y GEOMETRÍA MOLECULAR. Los enlaces covalentes tienen una dirección determinada y las distancias de enlace y los ángulos entre los mismos pueden medirse aplicando técnicas de difracción de rayos X. La geometría viene dada por la repulsión de los pares de e del átomo central teniendo en cuenta que las parejas de e se sitúan lo más alejadas posibles. Según el número y tipo de enlace, así como del número de pares de e sin compartir podemos clasificar las moléculas en los siguientes grupos: El átomo central sólo tiene pares de e de enlace sencillo. El átomo central tiene dos dobles enlaces o uno sencillo y uno triple. El átomo central tiene pares de e sin compartir. El átomo central tiene un enlace doble. El átomo central sólo tiene pares de e de enlace sencillo. Según el número de enlaces, éstos se sitúan lo más alejados posibles para evitar lo que se pueda la repulsión entre dichas nubes electrónicas. Así, si existen dos enlaces con dos átomos, éstos se dirigirán en sentidos contrarios formando quedando los tres átomos alineados, es decir, formando un ángulo de 180º. En el caso de tres enlaces, la manera más alejada de situarse es formando ángulos de 120º estando todos los átomos en el mismo plano. Con cuatro enlaces, éstos se dirigirán hacia los vértices de un tetraedro. Ejemplos: BeF 2 : El Be tiene 2 pares de e Ang. enl. = 180º. BCl 3 : El B tiene 3 pares de e Ang. enl. = 120º. CH 4 : El C tiene 4 pares de e Ang. enl. = 109,4º. CH 4 BCl 3 BF 2 Tetraédrica Triangular Lineal El átomo central tiene dos dobles enlaces o uno sencillo y uno triple. Como se une únicamente a dos elementos la geometría es lineal, es decir, el ángulo que forma el átomo central con los dos átomos a los que está unido es de 180º. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 7 de 26

8 Ejemplos: C 2 H 2 : Etino (acetileno). Cada C forma un triple enlace y uno sencillo. CO 2 : El carbono forma dos dobles enlaces. Etino CO 2 El átomo central tiene pares de e sin compartir. La repulsión de éstos pares de e sin compartir es mayor que entre pares de e de enlace. Ejemplos: NH 3 : El N tiene 3 pares de e compartidos y 1 sin compartir Ang. enl. = 107 3º < 109 4º H 2 O: El O tiene 2 pares de e compartidos y 2 sin compartir Ang. enl. = 104 5º < 109 4º Metano (109,4º) Amoniaco (107,3º) Agua (104,5º) El átomo central tiene un enlace doble. La repulsión debida a 2 pares electrónicos compartidos es mayor que la de uno. CH 2 =CH 2 (eteno): Cada átomo de carbono tiene 2 pares de e compartidos con el otro carbono y 2 pares de e compartidos con sendos átomos de hidrógeno, de manera que: Ang. enl. H C=C: 122º > 120º (triangular) Ang. enl. H C H: 116º < 120º (triangular) eteno Ejercicio B (Selectividad. Madrid Junio 1997). Explique: a) Si las estructuras de Lewis justifican la forma geométrica de las moléculas o si ésta se debe determinar experimentalmente para poder proponer la representación correcta.b) Si cada molécula se representa en todos los casos por una única formula estructural. c) Representar las estructuras de Lewis de las siguientes especies: H 2 O y NO 3 d) Justifican las representaciones de las moléculas anteriores la estabilidad de las mismas? F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 8 de 26

9 POLARIDAD EN MOLÉCULAS COVALENTES. MOMENTO DIPOLAR. Las moléculas que tienen enlaces covalentes polares tienen átomos cargados positivamente y otros negativamente. Cada enlace tiene un momento dipolar µ (magnitud vectorial que depende la diferencia de χ entre los átomos cuya dirección es la línea que une ambos átomos y cuyo sentido va del menos electronegativo al más electronegativo). en: Dependiendo de cómo sea µ de los enlaces que forman una molécula, éstas se clasifican Moléculas polares. Tienen µ no nulo. Y esto puede ser debido a: Moléculas con un sólo enlace covalente polar. Ejemplos: HCl, ClF. Moléculas angulares, piramidales Ejemplos: H 2 O, NH 3. Moléculas apolares. Tienen µ nulo: Y esto puede ser debido a: Moléculas con enlaces apolares. Ejemplos: H 2, Cl 2. Moléculas con enlaces polares pero con µ = 0. Ejemplos: CH 4, CO 2. µ = 0 µ = 0 µ = 0 µ µ 0 Ejemplos de moléculas apolares y polares µ 0 µ Ejemplo (Selectividad. Madrid Junio 1997). a) Ordene según la polaridad creciente, basándote en los Elemento F O Cl N C S H valores de electronegatividades de la tabla adjunta, los Electronegat. 4,0 3,5 3,0 3,0 2,5 2,52,1 enlaces siguientes: H F, H O, H N, H C, C O y C Cl. b) la polaridad de la molécula de CH 4 será igual o distinta de la de CCl 4? F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 9 de 26

10 a) H C < C Cl < H N < C O < H O < H F b) El CH 4 es globalmente apolar (m = 0) pues la suma vectorial de los dipolos de cada enlace (dirigidos hacia el centro) se anula debido a sus geometría tetraédrica. El CCl 4 es igualmente apolar por la misma razón; sin embargo los dipolos de los enlaces están en esta ocasión dirigidos hacia fuera. Ejercicio C (Selectividad. Madrid Septiembre 1997). Cuatro elementos diferentes A, B, C y D tienen número atómico 6, 9,13 y 19 respectivamente. Se desea saber: a) El número de electrones de valencia de cada uno de ellos. b) Su clasificación en metales y no metales. c) La fórmula de los compuestos que B puede formar con los demás ordenándolos del más iónico al más covalente. TEORÍA DEL ENLACE DE VALENCIA (E.V.) Se basa en la suposición de que los enlaces covalentes se producen por solapamiento de los orbitales atómicos de distintos átomos y emparejamiento de los e con spines contrarios de orbitales semiocupados formando un único orbital molecular. Así, 2 átomos de H (1s 1 ) tienen cada uno 1 e desapareado en un orbital s y formarían un orbital molecular en donde alojarían los 2 e. Se llama covalencia al nº de e desapareados y por tanto al nº de enlaces que un átomo forma. Enlace covalente simple. Se produce un único solapamiento de orbitales atómicos. Es frontal y se llama σ (sigma). Puede ser: a) Entre dos orbitales s b) Entre un orbital s y uno p c) Entre dos orbitales p. Enlace covalente múltiple. a) b) c) Enlace covalente σ Enlace π Se producen dos o tres solapamientos de orbitales atómicos entre dos átomos. Siempre hay un enlace frontal σ (sólo 1); si en enlace es doble, el segundo solapamiento es lateral π (pi); si el enlace es triple, existe un solapamiento σ y dos π. Los enlaces π más conocidos se producen a partir de orbitales atómicos p. HIBRIDACIÓN DE ORBITALES ATÓMICOS. Para explicar la geometría de la moléculas (ángulos y distancia) y la covalencia de ciertos átomos se formuló la teoría de la hibridación, que se basa en que los orbitales atómicos de distinto tipo de un mismo átomo pueden combinarse entre sí para formar orbitales híbridos de igual energía entre sí, que se sitúan en el espacio de manera que la repulsión sea mínima, cuando los átomos van a formar un enlace. (Ver enlace) F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 10 de 26

11 Así, por ejemplo, el carbono C forma cuatro enlaces en compuestos como el CH 4 y en la mayoría de compuestos que forma (para ello precisa promocionar el e del orbital 2s al 2p y a continuación formar 4 orbitales de igual energía a partir del 2s y de los 3 orb. 2p). No todos los orbitales de un mismo átomo pueden hibridarse. Para que la hibridación tenga lugar es necesario que bien se trate de: Orbitales atómicos que vayan a formar a formar enlaces σ. Orbitales atómicos con parejas de e sin compartir. Por el contrario, no se hibridan: Los orbitales atómicos que van a formar el segundo o tercer enlace (π). Los orbitales atómicos vacíos. Tipos de hibridación Eteno Los principales tipos de hibridación son los siguientes: Etino Enlace covalente múltiple Imágenes cedidas por Ed. Santillana. Química 2º Bachillerato. Hibridación sp 3. Se hibridan un orbital s y tres orbitales p. Se forman cuatro orbitales con orientación dirigida hacia los vértices de un tetraedro. 4 enlaces sencillos. Ejemplo: metano 3 enlaces sencillos + 1 par e sin compartir. Ejemplo: NH 3 2 enlaces sencillos + 2 par e sin compartir. Ejemplo: H 2 O Hibridación sp 2. Se hibridan un orbital s y dos orbitales p. Se forman tres orbitales dirigidos hacía los vértices de un triángulo equilátero. 3 enlaces sencillos. Ejemplo: BF 3 1 enlace doble y 2 sencillos. Ejemplo: eteno Hibridación sp Se hibridan un orbital s y tres orbitales p. Se forman dos orbitales que forman entre sí un ángulo de 180º. Orbital sp 2 enlaces sencillos. Ejemplo: BeF 2 2 enlaces dobles. Ejemplo: CO 2 F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 11 de 26

12 1 enlace triple y 1 sencillo. Ejemplo: etino Puede verse una simulaciones de hibridación en: Orbitales atómicos Orb. Híbridos Ejemplos Orb. s Orbitales p Orb. sp 3 H 2 O Orb. s Orbitales p Orb. sp 2 C 2 H 4 Orb. s Orb. p Orb. sp BeF 2 TEORÍA DE ORBITALES MOLECULARES. (O.M.) ➋ Permite explicar todas la moléculas existentes. Consiste en fijar unos niveles energéticos para los orbitales moleculares y considerarlos combinación lineal de orbitales atómicos (C.L.O.A.): Hay tantos orbitales moleculares como atómicos y ocuparían distintas zonas espaciales. La mitad de ellos tendrían menor energía que la de los orbitales atómicos de los que proceden y por tanto, serían más estables (orbitales enlazantes). La otra mitad tendrían mayor energía que los orbitales atómicos de los que proceden y serían más inestables (orbitales antienlazantes). Se denomina orden de enlace (O.E.) a: O.E.= nº e (OM enlazantes) nº e (OM antienlazantes) 2 Ejemplo El O.E. puede ser fraccionario si combinan orbitales apareados y desapareados. Hacer un esquema energético de los orbitales moleculares de las moléculas de N 2 y NO. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 12 de 26

13 Molécula de N 2 Molécula de NO O.A. (N) O.M. (N 2 ) O.A. (N) O.A. (O) O.M. (NO) O.A. (N) PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS COVALENTES Sólidos covalentes: Todos los átomos de un cristal están unidos por enlaces covalente, pudiendo considerar éste como una molécula gigantesca. Por ello y dada la fortaleza de este enlace los sólidos covalentes tienen: Gran dureza. Puntos de fusión y ebullición muy altos por lo que son sólidos a temperatura ambiente. Son insolubles en todo tipo de disolvente. Son malos conductores pues no tienen electrones libres. Una excepción a estas propiedades lo constituye el grafito que forma estructura por capas le hace más blando y al aportar cada átomo de carbono un e a un macroenlace muy deslocalizado es también conductor. Estructura del diamante Estructura del cuarzo Estructura del grafito Imágenes cedidas por GRUPO ANAYA S.A.. Química 2º Bachillerato. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 13 de 26

14 Sustancias moleculares: Están formados por moléculas aisladas, tanto más fáciles de separar cuanto menos polares sean las moléculas, por lo que tienen: Puntos de fusión y ebullición bajos. Generalmente son gases a temperatura ambiente. Son blandos. Son solubles en disolventes moleculares que estabilizan las moléculas con fuerzas de Van der Waals. Son malos conductores pues no tienen cargas libres, aunque las molécula polares poseen parcial conductibilidad. Las sustancias polares son solubles en disolventes polares que las estabilizan por fuerzas de atracción dipolo-dipolo y tienen mayores puntos de fusión y ebullición al existir atracción electrostática entre las mismas. ENLACES INTERMOLECULARES. Son las fuerzas que unen moléculas distintas y las responsables del estado físico de las sustancias. Según su fuerza se clasifican en: Enlace o puente de Hidrógeno. Fuerzas de Van der Waals. Enlace o puente de Hidrógeno. Es relativamente fuerte y precisa de gran diferencia de electronegatividad entre átomos y del pequeño tamaño del H que se incrusta en la nube de e del otro átomo. Sólo se da entre átomos de hidrógeno con átomos de flúor, oxígeno, nitrógeno y cloro. Es el responsable de los puntos de fusión y ebullición anormalmente altos de las sustancias que los contienen como, por ejemplo, el agua. Estructura del hielo Grupo ANAYA S.A. Química 2º Bach. Los puentes de hidrógeno pueden darse entre átomos de la misma molécula y mantener una estructura determinada tal y como ocurre en proteínas y ácidos nucleicos. Fuerzas de Van der Waals. Son fuerzas mucho más débiles que pueden darse entre: Entre dipolos permanentes (moléculas polares). Son débiles. Entre dipolos instantáneos (moléculas apolares) ya que el par de e de enlace en un momento dado puede encontrarse en un lado de la molécula produciendo un dipolo instantáneo que induce la formación de dipolos en las moléculas vecinas. Pero como estos dipolos no perduran los enlaces son muy débiles. Haz clic sobre el dibujo para ver gif animado. Tomado de: Dipolo instantáneo F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 14 de 26

15 ENLACE METÁLICO. STAN Es el que forman los metales. Es un enlace bastante fuerte. Los átomos de los metales se caracterizan por tener pocos electrones en su última capa y no forman enlaces covalentes, ya que compartiendo electrones no adquieren la estructura de gas noble. Forman, pues un enlace metálico, en el que consiguen la estabilidad, compartiendo los electrones de valencia de manera colectiva, formando una nube electrónica que rodea a todo el conjunto de iones positivos, empaquetados ordenadamente, formando una estructura cristalina de alto índice de coordinación. Existen dos modelos que lo explican: Modelo del mar de electrones: Cada átomo de metal aporta sus e de valencia a una especie de fondo común con lo que se produce una deslocalización de los Modelo de Mar de electrones mismos. La estructura del metal podría considerarse como cationes formando los nodos de la estructura cristalina estabilizados por un mar de electrones que evita la repulsión entre los mismos. (Haz clic en el dibujo para ver gif animado) Tomado de: Modelo de bandas: Se basa en la teoría de orbitales moleculares por la cual al enlazarse los átomos se forman tantos orbitales moleculares como orbitales atómicos había. Si se combinan infinidad de orbitales atómicos de igual energía se formarán dos bandas formadas por orbitales moleculares de muy parecida energía, una de menor energía formada por los orbitales moleculares enlazantes (banda de valencia) y la otra de mayor energía por los antienlazantes (banda de conducción). El modelo de bandas viene respaldado por los espectros de emisión. Las líneas en los espectros de emisión de los metales en estado gaseoso se transforman en bandas en el caso de metales en estado sólido. Banda de conducción Banda de valencia E conductor semiconductor aislante En los metales ambas bandas están muy juntas, de manera que los electrones saltan con mucha facilidad de la banda de valencia a la de conducción por donde circulan con gran facilidad a través de todo el cristal metálico. Si la diferencia de energía entre ambas bandas, es mayor tendremos los semiconductores, sustancias a las que suministrando esa pequeña cantidad de energía pasan a conducir con facilidad. Si la diferencia de energía es mayor, tendremos las sustancias aislantes. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 15 de 26

16 PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS METÁLICOS. Son dúctiles y maleables debido a que no existen enlaces con una dirección determinada. Si se distorsiona la estructura presión los e vuelven a estabilizarla interponiéndose entre los cationes. Son buenos conductores debido a la deslocalización de los e Maleabilidad de un metal.. Si se aplica el Grupo ANAYA. Química 2º Bachillerato. modelo de bandas, puede suponerse que la banda vacía (de conducción está muy próxima a la banda en donde se encuentran los e de forma que con una mínima energía éstos saltan y se encuentran con una banda de conducción libre. Conducen el calor debido a la compacidad de los átomos que hace que las vibraciones en unos se transmitan con facilidad a los de al lado. Tienen, en general, altos puntos de fusión y ebullición dependiendo de la estructura de la red. La mayoría son sólidos. Tienen un brillo característico debido a la gran cantidad de niveles muy próximos de energía que hace que prácticamente absorban energía de cualquier longitud de onda, que inmediatamente emiten (reflejo y brillo). Ejemplo (Selectividad. Madrid Septiembre 1998). La configuración electrónica de un elemento: a) Permite conocer cuál es su situación en el sistema periódico? b) Indica qué clase de enlaces puede formar con otros elementos? c) Es suficiente información para saber si el elemento es sólido, líquido o gas? d) Sirve para conocer si el elemento es o no molecular? Justifique las respuestas. a) Sí (ver teoría). b) Sí, pues indica si se trata de metal, no-metal o gas noble. c) No es suficiente, aunque sí puede dar pistas: si se trata de un metal, muy probablemente será sólido y si tiene la última capa completa será gas (noble); más difícil es en el caso de los nometales que pueden estar en los tres estados. d) Sí. Si acaba en s o d se tratará de un elemento metálico y el compuesto no será molecular. Igualmente, los gases nobles (p 6 ) se encuentran como átomo aislados. Son moleculares los elementos no metálicos (p 2 - p 5 ), aunque con algunas excepción como los que terminan en 5 p 2 y 6 p 2 que son metálicos, y por tanto, no forman moléculas. Ejercicio D (Selectividad. Madrid Previo 1997). Rellenar el siguiente cuadro poniendo en cada casilla la fórmula del elemento o de un compuesto que formen entre ellos, el tipo de enlace (C = covalente, I = iónico, M = metálico) y el estado de agregación (S = sólido, L = líquido, G= gas), tal como aparece en el ejemplo. Cl H O Ca Cl H CaH 2 I S O F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 16 de 26

17 Ca Algunos enlaces interesantes: ( interesante!: materiales interactivos) Anímate a hacer estas evaluaciones sobre el enlace químico: Cuestiones generales ENLACE QUÍMICO. 1.- Explica poniendo algún ejemplo en qué consiste el modelo del orbital molecular. 2.- Hibridación. Tipos. Ejemplos. 3.- Tomando como referencia los compuestos: NH 3, CH 3 Cl, y BeF 2 a) qué hibridación presenta el átomo central; b) señala si alguna de las moléculas será polar (razona las respuestas). Ciclo de Born-Haber 4.- Indica el ciclo de Born y Haber para el cálculo de la energía reticular de la fluorita (fluoruro de calcio). 5.- a) Diseña un ciclo de Born-Haber para el cloruro de magnesio; b) Define al menos cuatro de los siguientes conceptos: energía de ionización, energía de disociación, afinidad electrónica, energía reticular, calor de formación y calor de sublimación. 6.- Sabiendo que el potasio es sólido y el Br 2 es líquido en condiciones estándar, calcula la energía reticular del bromuro de potasio. Datos: H f (KBr) = -391,8 kj/mol, H sublim. (K) = 81,26 kj/mol, H vaporización (Br 2 ) = 30,7 kj/mol, H dis. (Br 2 ) = 193,5 kj/mol, E ioniz. (K) = 418,4 kj/mol, E A (Br) = 321,9 kj/mol. 7.- Calcular la energía reticular del fluoruro de litio conociendo los siguientes datos: calor de formación del fluoruro de litio = 594,1 kj/mol; calor de sublimación del litio = 155,2 kj/mol; calor de disociación del flúor 150,6 kj/mol; energía de ionización del F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 17 de 26

18 litio = 520 kj/mol; afinidad electrónica del flúor 333 kj/mol. Escribe todas la reacciones del ciclo de Born y Haber. Enlace covalente y geometría. 8.- Contesta razonadamente: a) los enlaces flúor-boro y nitrógeno-hidrogeno, son polares o no polares? b) Las moléculas BF3 y NH3 son polares o no polares? Selectividad Cantabria, Junio Explica la geometría de la butinona (CH 3 CO C CH) basándote bien en modelo de repulsión de pares de electrones o bien en la Teoría de la hibridación Indica las razones que justifican la estabilidad del enlace covalente A H (A = elemento de un grupo principal) en una molécula AH n y la formación de enlaces múltiples en moléculas A 2. (Selectividad COU Madrid, Junio 1997) Indica basándote en modelo de repulsión de pares de electrones o en la teoría de la hibridación la geometría del butadieno (CH 2 =CH CH=CH 2 ) Indica basándote en modelo de repulsión de pares de electrones o en la teoría de la hibridación la geometría del 2-metil-propeno-nitrilo (CH 2 =C(CH 3 ) C N) Para las moléculas CH 4, C 2 H 4 y C 2 H 2, justificar: a) su geometría b) Los enlaces sigma y pi que se presentan en estas moléculas, indicando qué átomos y qué orbitales de cada uno de ellos son los que intervienen. (Selectividad La Laguna, Junio 1997) Justifica la geometría de las moléculas covalentes: BeF 2, BCl 3, CCl 4, H 2 O, NH 3, a partir del modelo de repulsión de pares electrónicos Dibuja indicando ángulos y justifica la geometría de las moléculas covalentes: eteno, propino, propanona, H 2 S, BH 3, a partir del modelo de repulsión de pares electrónicos. Tipos de enlace y propiedades de las sustancias Los puntos de ebullición del CH 3 CH 3, CH 3 O CH 3, y CH 3 CH 2 OH son, respectivamente, -88ºC, -25ºC y 78ºC. Explica razonadamente estas diferencias Indica qué tipo de enlace o fuerza intermolecular presentarán las sustancias que tienen las siguientes propiedades: a) no conducen la corriente eléctrica en estado sólido, pero sí la conducen fundidos o disueltos en agua b) No son solubles en agua, tienen gran dureza y alto punto de fusión. Selectividad COU Zaragoza, Junio Dados los elementos A, B y C de números atómicos 19, 17 y 12, respectivamente, indica razonando las respuestas: a) Estructura electrónica de sus respectivos estados fundamentales y el grupo de la tabla periódica al que pertenece cada uno de ellos; b) Tipo de enlace formado cuando se unen A y B y cuando se unen entre sí átomos de C. Selectividad COU Zaragoza, Junio El elemento de nº atómico 20 se combina con facilidad con el elemento de nº atómico 17. a) Indica el nombre, la configuración electrónica de los dos elementos F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 18 de 26

19 en su estado fundamental y el grupo de la tabla periódica al que pertenece cada uno de ellos; b) Explica el tipo de enlace y las propiedades del compuesto que forman. Selectividad Zaragoza, Junio Considerándolas sustancias Br 2, SiO 2, Fe, HF y NaBr, justifique en función de sus enlaces: a) si son o no solubles; b) Si conducen la corriente eléctrica a temperatura ambiente. Selectividad Madrid Junio Dados los siguientes elementos: flúor, helio, sodio, calcio y oxígeno. a) Justifique en función de los posibles enlaces entre átomos, cuales forman moléculas homonucleares y cuáles no, así como su estado de agregación en condiciones normales de presión y temperatura; b) Formule cuatro de los compuestos que puedan formar entre sí, indicando la naturaleza del enlace formado. Selectividad Madrid Septiembre Explica los siguientes hechos: a) El agua es líquida a temperatura ambiente mientras que el sulfuro de hidrógeno es gas; b) El bromuro sódico se disuelve en agua fácilmente, mientras que el bromo es prácticamente insoluble. Selectividad COU Castilla la Mancha, Junio Dados tres elementos del sistema periódico A, B y C de números atómicos 8, 16 y 19 respectivamente: a) Escribe su configuración electrónica; b) Indica el elemento cuyo primer potencial de ionización sea mayor; c) Indica tipo de enlace y dos propiedades características de los compuestos formados por los elementos A y B. Razónalo. Selectividad Galicia, Junio SOLUCIONES (Enlace Químico). 1.- Los orbitales atómicos que van a formar un enlace se combinan linealmente para formar un orbital molecular enlazante, de menor energía que los orbitales atómicos y un orbital antienlazante de mayor energía que los orbitales atómicos. Al formarse la molécula de flúor, cada átomo tiene una configuración electrónica 1s 2 2s 2 p 5. Los orbitales s y dos de los orbitales p tienen dos electrones y por tanto al enlazarse se colocan 2 e en cada orbital enlazante y 2 e en cada orbital antienlazante, con lo que no se produce una variación energética. Sin embargo, los electrones desapareados del tercer orbital p de cada átomo van a parar al orbital enlazante con los que se produce un descenso energético, quedando en este caso el orbital antienlazante vacío. 3.- a) En el NH 3 el N forma 3 enlaces σ con los tres átomos de hidrógeno y tiene 2 e en un orbital. La hibridación es pues sp 3. En el CH 3 Cl el C forma 4 enlaces σ con los tres átomos de hidrógeno y con el de Cl. La hibridación es pues sp 3. En el BeF 2 el Be forma 2 enlaces σ con los dos átomos de flúor y ya no tiene más e en la última capa, por lo que la hibridación es sp. b) Los tres enlaces N H del NH 3 son polares y al estar dirigidos hacia los vértices de un tetraedro el momento dipolar no se anula y la molécula es polar. Los cuatro enlaces σ del CH 3 Cl son polares pero al ser uno de ellos distinto el momento dipolar no se anula y la molécula también es polar. Sin embargo, los dos enlaces Be F del BeF 2 son polares pero al estar dirigidos en sentidos opuestos, los momentos dipolares se anularán y la molécula será apolar. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 19 de 26

20 4.- Reacción global: Ca (s) + F 2 (g) CaF 2 (s); ( H f ) que puede considerarse suma de las siguientes reacciones: Ca (s) Ca (g); ( Hsubl) F 2 (g) 2 F (g); ( Hdis) 2 F (g) 2 F (g); (2 AE) Ca (g) Ca 2+ (g); (EI 1 + EI 2 ) Ca 2+ (g) + 2 F (g) CaF 2 (s) (U) Con lo que: U = H f H subl (Ca) H dis (F 2 ) 2 AE(F) (EI 1 + EI 2 )(Ca) 5.- a) Reacción global: Mg (s) + Cl 2 (g) MgCl 2 (s); ( H f ) que puede considerarse suma de las siguientes reacciones: Mg (s) Mg (g); ( Hsubl) Cl 2 (g) 2 Cl (g); ( Hdis) 2 Cl (g) 2 Cl (g); (2 AE) Mg (g) Mg 2+ (g); (EI1 + EI 2 ) Mg 2+ (g) + 2 Cl (g) MgCl 2 (s) (U) Con lo que: U = H f H subl (Mg) H dis (Cl 2 ) 2 AE(Cl) (EI 1 + EI 2 )(Mg) b) Ver Teoría. 6.- Reacción global: K (s) + ½ Br 2 (g) KBr (s); ( H f = 391,8 kj) que puede considerarse suma de las siguientes reacciones: K (s) K (g); ( H subl = 81,26 kj) ½ Br 2 (l) ½ Br 2 (g) (½ H vap =15,35 kj) ½ Br 2 (g) Br (g); (½ H dis = 96,75 kj) Br (g) Br (g); (AE = 321,9 kj) K (g) K + (g); (EI = 418,4 kj) K + (g) + Br (g) KBr (s) (U) U = H f H subl (K) ½ H vap (Br 2 ) ½ H dis (Br 2 ) AE(Br) EI(K) = ( 391,8 81,26 15,35 96, ,9 418,4) kj; U = 681,9 kj 7.- Reacción global: Li (s) + ½ F 2 (g) LiF (s); ( H f = -594,1 kj) que puede considerarse suma de las siguientes reacciones: Li (s) Li (g); ( H subl = 155,2 kj) ½ F 2 (g) F (g); (½ H dis = 75,3 kj) F (g) F (g); (AE = 333 kj) Li (g) Li + (g); (EI = 520 kj) Li + (g) + F (g) LiF (s) (U) U = H f H subl (Li) ½ H dis (F 2 ) AE (F) EI(Li) = ( 594,1 155,2 75, ) kj = 1012 kj 8.- F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 20 de 26

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