Enlace Químico. Principios de Estructura de la Materia. Sigfrido Escalante Tovar feb-2010

Transcripción

1 Enlace Químico Principios de Estructura de la Materia Sigfrido Escalante Tovar feb-2010

2 El enlace químico Es un concepto tan común para los químicos que, muchas veces, nos olvidamos que es solamente eso, simplemente un concepto. Es un concepto tan útil, tan exitoso que a veces no pensamos en sus limitaciones. Lo hemos aprendido desde los inicios de nuestra formación que pensamos que toda la química se reduce a lo que podamos explicar con nuestros paradigmas sobre el enlace covalente. Adicionalmente hemos acumulado durante nuestra carrera algunos errores de concepto respecto del enlace químico, veamos algunos:

3 ENDTÉRMIC EXTÉRMIC? H 2 (l) H 2 (g) ENDTÉRMIC Na + (g) + Cl - (g) NaCl(s) EXTÉRMIC Mg 2+ (g) + agua Mg 2+ (ac) EXTÉRMIC H 2 H + H ENDTÉRMIC

4 CIERT Ó FALS? Facultad de Química Hay que proporcionar energía para formar un enlace covalente La condensación de un gas es un proceso exotérmico Cuando se rompe un enlace puede absorberse o desprenderse energía dependiendo del enlace de que se trate La ruptura de un enlace iónico es un proceso endotérmico FALS CIERT FALS CIERT

5 Elige la opción que completa correctamente la oración: CH 2 =CH C 2 + 2H 2 La reacción de combustión del etileno es exotérmica debido a: Facultad de Química La ruptura del enlace C=C La ruptura de los enlaces C-H La ruptura del enlace = Todo lo anterior La formación de los enlaces C= y -H

6 Elige la opción que completa correctamente la oración: Al enlace -P en el ATP se le llama fosfato de alta energía porque: a) El enlace -P es particularmente estable. b) El enlace -P es relativamente débil. c) La ruptura del enlace libera una importante cantidad de energía. Facultad de Química d) Se requiere una relativamente pequeña cantidad de energía para romper el enlace. a y c b y c Sólo c Sólo b b y d No sé Nunca he oído hablar de ese asunto.

7 Un ejemplo: el ATP Facultad de Química

8 Energía de un par iónico

9 Energía de enlace Energía de punto cero

10 Energía y entalpía X 2 (g) 2X(g) H e (T) = U el +3/2RT Ejemplo: H 2 (g) 2H(g) U el = (kjmol -1 ) U 0 = U 298 = H 298 =

11 E AB : energía de enlace y H dis : entalpía de disociación del enlace H dis es el cambio de entalpía asociado en la ruptura de una mol de enlaces covalentes A-B a una temperatura dada. Molécula E A-B (kjmol -1 ) H-H 432 F-F 158 Cl-Cl 242 Br-Br 193 I-I 151 H-Cl 438

12 U 0 : energía de red cristalina Es la energía que se libera cuando se forma una mol de cristal iónico a partir de sus iones en fase gaseosa. A y+ (g) + B x- (g) A x B y (s) U 0 < 0 U 0 ANZ Z e 1 = + 1 4πε r n 0 0 2

13 H hid : entalpía de hidratación Es el cambio de entalpía cuando se hidrata una mol de iones gaseosos en agua líquida. M y+ (g) + nh 2 [M(H 2 ) n ] y+ HH r = HH hid

14 Depto. de Química Inorgánica y Nuclear Hidratación de cationes

15 H at : entalpía de atomización Involucra a la energía necesaria para producir una mol de átomos gaseosos de un elemento a partir de éste en condiciones estándar. S 8 (s) 8S(g) H at = kjmol -1 Cl 2 (g) 2Cl(g) H at = 121 kjmol -1

16 Termodinámica vs Cinética En ocasiones un proceso termodinámicamente favorecido no se lleva a cabo porque cinéticamente no lo está. C(diamante) C(grafito) H f = -3 kjmol -1

17 Tipo de interacción Dependencia de la energía potencial con la distancia Energía típica (kj mol -1 ) Comentarios Ion-ion 1/r 250 Entre iones solamente Ion dipolo 1/r 2 15 Dipolodipolo 1/r 3 2 Ion-Dipolo inducido 1/r Dipolo- Dipolo inducido Fuerzas de dispersión de London 1/r /r 6 2 Entre iones y moléculas polares permanentes Entre moléculas polares estacionarias Entre iones y moléculas no polares. Entre moléculas polares y polares rotantes. Entre todos los tipos de moléculas. Facultad de Química Largo alcance Corto alcance La energía de un enlace o puente de hidrógeno A---- H es del orden de 20 kj mol -1 y se presenta cuando A = N, ó F

18 La malla cúbica Facultad de Química

19 Algunas interacciones que ocurren simultáneamente N N N N N N

20 Corolario La energética y la estructura de los sistemas están íntimamente relacionadas, en general, de manera compleja. Por lo tanto es necesario una gran Por lo tanto es necesario una gran sistematización de la información experimental.

21 Qué es un enlace químico? IUPAC (2006) hay un enlace químico entre dos átomos o grupos de átomos en el caso en el que las fuerzas que actúan entre ellos sean tales que lleven a la formación de un agregado con suficiente estabilidad para hacer conveniente que los químicos lo consideren como una especie molecular independiente La definición anterior parece no ser completa pues deja fuera al enlace iónico al circunscribirse sólo a una especie molecular. Pareciera referirse solamente al enlace covalente. Resulta vaga pues deja al lector la decisión de decidir qué es suficiente y qué es conveniente. Tiene, no obstante, la ventaja de que, a nuestro juicio, podamos considerar otras asociaciones entre átomos o grupos como las de puente de hidrógeno o las de van der Waals como enlaces químicos.

22 Átomos en moléculas contornos de densidad electrónica línea de gradiente de densidad electrónica Punto crítico HF

23 Trayectorias del gradiente en la densidad electrónica calculada para el NaCl Facultad de Química

24 Densidad electrónica experimental en NaCl Aquí, bien puede haber un punto crítico (3,-1)

25 Las líneas de enlace (bond paths) son enlaces químicos? Facultad de Química 8 bond paths entre el átomo de gas noble central y los 8 átomos de carbono del cubano implican 8 enlaces? 20 bond paths entre el átomo de gas noble central y los 20 átomos de carbono del dodecahedrano implican entonces 20 enlaces? 60 bond paths entre el átomo de gas noble central y los 60 átomos de carbono del C 60 implican 60! enlaces? Merino y colaboradores se preguntan: La existencia de una línea de enlace es una condición suficiente que prueba que dos átomos están conectados por un enlace en el sentido químico de la palabra? Merino et al; Chem. Eur. J. 2008, 14,

26 Las líneas de enlace (bond paths) son enlaces químicos? Facultad de Química Richard Bader, el autor de la teoría de Átomos en Moléculas (QTAIM), responde que todo se debe a una equivocada interpretación de su teoría. Bader argumenta que una línea de enlace no debe ser interpretada como un enlace. La presencia de una línea de enlace solamente indica que esos dos átomos están enlazados pero no por lo que conocemos en química, como un enlace. Él insiste en que el concepto químico de enlace es muy limitado y no incluye toda la enorme gama de interacciones asociativas que se pueden observar entre los átomos o los grupos químicos, como lo son, entre otras, las interacciones de van der Waals. Lo anterior pone de manifiesto la necesidad de continuar reflexionando sobre los modelos paradigmáticos del enlace químico (Lewis y la teoría elemental de orbitales moleculares) y sobre sus alcances y sus limitaciones. Bader, R.F.W.J. Phys. Chem. A, 2009 Vol. xxx, No. xx, XXXX

27 AMyD

28 Qué sigue? Facultad de Química Carbonos hipervalentes?

29 Nanovehículos? Yasuhiro Shirai, Jean-François Morin, Takashi Sasaki, Jason M. Guerrero and James M. Tour. Chem. Soc. Rev., 2006, 35,

30 Nanoceldas? Facultad de Química Hasobe T., Fukuzumi S. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127,