ESTRUCTURA DE LA MATERIA ESTRUCTURA MOLECULAR Introducción Semestre Rafael Moreno Esparza

Transcripción

1 ESTRUCTURA DE LA MATERIA ESTRUCTURA MLECULAR Introducción Semestre Rafael Moreno Esparza 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 0 Propiedades atómicas y el enlace Son aquellas propiedades de los átomos que caracterizan la manera que dos átomos se unen Entre ellas están: Configuración electrónica Valencia Número de oxidación Fuerza de enlace Distancia de enlace Distribución de la carga Electronegatividad 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 1 Configuración electrónica Los electrones de un átomo se encuentran en los orbitales Un orbital es la región del espacio que ocupan los electrones en un átomo Y cada orbital está definido por 4 números cuánticos Símbolo n l momento angular Enteros de 0 a n-1 m l momento magnético enteros de -l a l m s Nombre principal espín Valor Enteros de 0 a ±(½) Valencia y número de oxidación Valencia La capacidad que tiene un elemento para combinarse con otros Estado de oxidación Se refiere a la carga que tendrá un átomo en una molécula, si los electrones se asignaran a cada átomo de una manera determinada 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 2 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 3 1

2 Número de oxidación Reglas de asignación: El número de oxidación de un elemento libre se toma como cero El número de oxidación de un ion monoatómico es su carga, incluido el signo El número de oxidación de un átomo en una molécula covalente, es la carga que permanece si cada par electrónico compartido se asigna al átomo más electronegativo de los dos átomos que lo comparten El número de oxidación de un átomo en una molécula cuya estructura es desconocida, se puede obtener si se conocen los estados de oxidación de los otros elementos 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 4 Estados de oxidación Se puede predecir si se consideran estas reglas: Al formar moléculas o iones los átomos buscan el arreglo más estable de sus electrones de valencia Capa cerrada y completa Los electrones se pierden o comparten por pares Tipicamente los posibles números de oxidación de un mismo elemento difieren en dos unidades 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 5 Estados de oxidación Los estados de oxidación más comunes: Configuración inicial Familia 1: (ns 1 ) Familia 2: (ns 2 ) Familia 12: (n-1d 10 ns 2 ) Familia 13: (ns 2 np 1 ) Familia 14: (ns 2 np 2 ) Familia 15: (ns 2 np 3 ) Familia 16 (ns 2 np 4 ) Familia 17 (ns 2 np 5 ) Configuración final s 2, s 2 p 6 : +1 s 2, s 2 p 6 : +2 d 10 : +2 ns 2 : +1 ns 0 : +3 ns 2 : +2 ns 0 : +4 ns 2 np 6 : -3 ns 2 : +3 ns 0 : +5 ns 2 np 6 : -2, +2, +4, +6 ns 2 np 6 : -1, +1, +3, +5, +7 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 6 Estabilidad y configuración Estabilidad y configuración Considerando lo anterior, parece razonable sugerir que los átomos serán más estables si pierden o ganan electrones para tener su última capa como la de un gas noble Excepto por H y He, a todos los demás serán más estables si tienen 8 e - en su última capa Para ello un átomo habrá obtener electrones de algún lugar, por ejemplo de otro átomo Dependiendo del tipo de combinación, será posible que un átomo: Gane o pierda electrones Comparta electrones 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 7 2

3 Símbolos de Lewis Es un sistema que permite llevar la cuenta de los electrones alrededor de un átomo al unirse a otro Fue inventado en 1915 por G.N. Lewis Reglas básicas: Escribe el símbolo atómico Considera que cada lado es una caja que X puede tener hasta 2 e - Cuenta los electrones de valencia del elemento Llena cada caja pero no hagas pares a menos que no tengas de otra Símbolos de Lewis Ejemplo: El oxigeno tiene 8 e - ; 6 de ellos son de valencia Se van colocando en cada caja Hasta que se tiene que tomar una decisión: bteniendo así, el símbolo de Lewis para el 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 8 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 9 Símbolos de Lewis Símbolos de Lewis para el 2 período (n = 2) de la tabla periódica Fuerza de enlace La estabilidad de una molécula está en función de la fortaleza de los enlaces covalentes que mantienen unidos a sus átomos Cómo se mide? La energía de enlace es el cambio en la entalpía (ΔH, entrada de calor) que se requiere para disociar 1 mol de sustancia gaseosa Donde D(Cl-Cl) representa la energía de disociación para el enlace Cl-Cl 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 10 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 11 3

4 Fuerza de enlace Es la cantidad de energía requerida para separar dos átomos unidos Siempre es un proceso endotérmico H 2(g) ssd 2H (g)!h D 0 = 436 kj/mol = B Fuerza de enlace Pero y que pasa cuando tenemos un compuesto que no es una molécula diatómica? Consideremos la disociación del metano: Molécula B (kj/mol) Molécula B (kj/mol) H I N HF HCl 431 F HBr 366 Cl HI 299 Br C /11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 12 Aquí tenemos cuatro enlaces C equivalentes, de manera que la energía de disociación de uno solo será: D(C-H) = (1660/4) kj/mol = 415 kj/mol 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 13 Fuerza de enlace Al medir el ΔH 0 de una molécula diatómica, no puede haber duda del resultado En cambio si la molécula es poliatómica, existen problemas de interpretación Si hay más de un enlace en la molécula, se mide la energía total de ionización y se divide entre el número de enlaces de la molécula Es decir consideramos la energía promedio 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 14 Fuerza de enlace Fuerza de enlace Nótese: La energía para un enlace cualquiera se ve influido por el resto de la molécula Sin embargo, este es un efecto relativamente pequeño, esto sugiere que los enlaces están realmente entre los átomos Entonces, la energía para la mayoría de los enlaces varía poco respecto a la energía promedio para ese tipo de enlace La energía de enlace siempre es positiva, es decir se requiere energía para romper un enlace covalente, y siempre hay energía liberada cuando se forma un enlace 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 15 4

5 Fuerza de enlace Energías de enlace y entalpías de reacción Si podemos saber cuales enlaces se rompen y cuales se forman durante el curso de una reacción química Podríamos estimar el cambio de entalpía (ΔH rxn ) de la reacción, aun cuando no conozcamos la entalpía de formación (ΔH f ) de los reactivos y de los productos: ΔH = Σ(energías formados) - Σ(energías rotos) La reacción entre una mol de cloro y una mol de metano Fuerza de enlace Enlace C H N H H F H C C C N C C F =C B (kj/mol) promedio = 480 Enlace C C C=C Φ C=C C C N N N=N C B (kj/mol) /11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 16 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 17 Tamaño Atómico Del modelo cuántico del átomo podemos concluir que un átomo no tiene una frontera definida, ello nos conduce a un problema conceptual que puede definirse con la siguiente pregunta cuál es exactamente el tamaño de un átomo? El radio atómico se puede estimar suponiendo que los átomos son objetos esféricos que se tocan unos a otros al estar unidos en una molécula Tamaño Atómico La distancia del enlace Br-Br en el Br 2 es de 2.28 Å, entonces el radio del átomo de Br es de 1.14 Å La distancia del enlace C-C es de 1.54 Å, entonces el radio de un átomo de Carbono es de 0.77 Å Y la distancia del enlace en C-Br? Para tener capacidad de predicción, es necesario que los radios atómicos determinados (por medio de alguna técnica) permanezcan iguales, al considerar otros compuestos (es decir que sean aditivos) 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 18 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 19 5

6 Tamaño Atómico Con los datos anteriores y pensando que los valores obtenidos son aditivos, podemos predecir que la distancia de enlace C-Br es igual a = 1.91 Å En muchos de los compuestos que tienen enlaces C-Br, la distancia observada tiene aproximadamente este valor. Con las consideraciones anteriores, podemos presentar las características generales de las distancias de enlace obtenidas por medio de las técnicas como cristalografía de moléculas pequeñas, RMN y otras Distancia de enlace Enlace Molécula Distancia Enlace Molécula Distancia -H -H C-C C-C C-C C-C C-S C-S N- NaH H 2 Diamante C 2 H 6 C 2 H 5 H C 6 H 14 (CH 3 ) 2 S (CF 3 ) 2 S N C-S N- N- N- C 3 CH 2 SH 2 3 HH N 2 5 NaN 2 N /11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 20 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 21 Distribución de la carga También se le conoce con el nombre de carga formal de un átomo Y se define como la carga que le queda a un átomo en una molécula, al formar un enlace. Se puede calcular así: C f = e val e ps 1 2 e comp Donde: e val = electrones de valencia e ps = electrones apareados e comp = electrones compartidos 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 22 Distribución de la carga Ejemplo: C f = C ( ) = +1 C C f = ( 2 6 ) = 1! C! Es decir la carga negativa está en el C tro: _ C C N f = ( 2 6 ) = 0 sea que la carga está en el C N C C f = ( 2 6 ) = 1 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 23 6

7 Propiedades atómicas y el enlace Son aquellas propiedades de los átomos que caracterizan la manera que dos átomos se unen Entre ellas están: Configuración electrónica Valencia Número de oxidación Fuerza de enlace Distancia de enlace Distribución de la carga Electronegatividad Clasificación de las sustancias Desde el punto de vista experimental, podemos clasificar a las sustancias a la luz su comportamiento Esta clasificación es enteramente empírica y es el resultado de estudiar las propiedades físicas de dichas sustancias Estas propiedades son las siguientes: Mecánicas, Térmicas, Eléctricas y Ópticas 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 24 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 25 Clasificación de las sustancias Tipo Mecánicas Cristales Térmicas Coef. exp Eléctricas (sólido) Eléctricas (líquido) Ópticas Ejemplo I fuertes duros p.f. alto bajo aislantes conductores Absorben como iones NaCl C(3D) Cu S 8 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 26 II fuertes duros p.f. alto bajo aislantes aislantes Absorción variable III variables maleables p.f. variable grande conductores aislantes pacos pero brillan IV débiles blandos p.f. bajo grande aislantes aislantes Similar en cada fase Como nos imaginamos cada caso? Tipo I (IÓNIC) Se considera que surge de la interacción electrostática entre los átomos o moléculas que lo forman, las cuales están cargadas Es decir tienen uno o más electrones adicionales (aniones) o uno o más electrones menos (cationes) Como las cargas interactuantes son opuestas, el sistema es estable El enlace primario es no direccional (isotrópico) 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 27 7

8 Como nos imaginamos cada caso? Tipo II (CVALENTE) Ahora se comparten los electrones por ambos núcleos por igual Si los átomos eran neutros antes de formar la molécula, quedan neutros en el estado ligado Es por ello que resultan ser malos conductores Como nos imaginamos cada caso? Tipo III (METÁLICS): Nuevamente todos los átomos que forman este tipo de compuesto comparten los electrones por igual Sin embargo, debido a su carácter metálico, los electrones de valencia se encuentran poco ligados Y es por ello que puedan conducir la corriente eléctrica 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 28 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 29 Como nos imaginamos cada caso? Tipo IV (INTERACCINES DÉBILES): En esta ocasión, todos los átomos o moléculas han completado su octeto Las interacciones entre estos componentes serán muy débiles Y claro, serán buenos aislantes (no hay especies cargadas) Y serán fáciles de romper (no hay interacciones fuertes) Clasificación de las fuerzas químicas Enlaces iónicos Se puede describir por medio de un modelo electrostático que supone que los átomos que forman estos compuestos son iones de carga opuesta, los cuales interactúan electrostáticamente En general los compuestos iónicos están formados por un metal y un no-metal 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 30 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 31 8

9 Clasificación de las fuerzas químicas Enlaces covalentes Para describir estos compuestos se requiere comprender que los elementos prefieren tener completas sus capas electrónicas y que en vez de perder o ganar electrones los comparten para conseguirlo Típicamente los compuestos covalentes están formados por elementos no-metálicos 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 32 Clasificación de las fuerzas químicas Enlaces metálicos En este caso el modelo que describe a estos elementos considera una especie de dicotomía al tiempo que considera que los elementos prefieren tener sus configuraciones completas también considera que para conseguirlo cada metal comparte electrones con varios vecinos De esta manera, los electrones de valencia se mueven libremente en tres dimensiones En general, este tipo de comportamiento lo muestran los elementos metálicos propiamente y todas sus aleaciones 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 33 Clasificación de las fuerzas químicas Enlaces débiles Una vez que un átomo consigue completar su octeto (perdiendo, ganando o compartiendo electrones), es concebible que todavía pueda interactuar con otros átomos o moléculas Esta interacción será menos fuerte que las tres anteriores Moléculas e Iones Moléculas e Iones Aunque los átomos son la unidad más pequeña de un elemento particular, en la naturaleza sólo podemos encontrar átomos aislados de los gases nobles La mayor parte de la materia en la naturaleza se encuentra en su forma de iones o compuestos Una molécula está formada de dos o más átomos unidos químicamente Estos átomos pueden ser del mismo elemento o de elementos diferentes La mayoría de los compuestos moleculares, están formados por elementos no metálicos 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 34 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 35 9

10 Moléculas e Iones Muchos elementos se encuentran en la naturaleza en su forma molecular donde dos o más átomos del mismo elemento se encuentran unidos El oxígeno por ejemplo, normalmente se encuentra en su forma molecular diatómica 2 (dos átomos de oxígeno unidos entre sí) El oxígeno también puede existir en otra forma molecular en donde hay tres átomos de oxígeno unidos entre sí Al 3 se le conoce con el nombre de ozono Moléculas e Iones Aunque 2 y 3 son compuestos del mismo elemento, tienen propiedades químicas y físicas muy diferentes Existen siete elementos que comúnmente nos encontramos como moléculas diatómicas Entre estos están: H, N,, F, Cl, Br, I tros casos de elementos que forman compuestos de un solo elemento son el azufre como S 8, el fósforo como P 4, el silicio como Si (3D) y el C (3D) 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 36 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 37 Moléculas e Iones Existe otro compuesto de hidrógeno y oxígeno cuya fórmula química es H 2 2, y que conocemos con el nombre de peróxido de hidrógeno Nuevamente la fórmula química nos indica la composición a nivel atómico de este compuesto Aunque está compuesto por los mismos dos elementos, su comportamiento físico y químico es completamente diferente al del agua El peróxido de hidrógeno es muy reactivo y se usa entre otras cosas para impulsar cohetes 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 38 Fórmula empírica vs.. Fórmula molecular Las fórmulas moleculares se refieren al número correcto de átomos diferentes que tiene una sola molécula de un compuesto Las fórmulas empíricas se refieren al menor número entero de cada uno de los átomos que forman a un compuesto particular o mejor todavía, es la relación más simple que existe entre los diferentes tipos de átomos combinados que hay en un compuesto Las fórmulas moleculares nos dan más información, pues hay veces en que una sustancia es en realidad una colección de moléculas de diferentes tamaños pero con la misma fórmula empírica 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 39 10

11 Fórmula empírica vs.. Fórmula molecular Si conocemos las cargas de los iones que forman un compuesto iónico, se puede entonces determinar la fórmula empírica El punto aquí es entender que los compuestos iónicos siempre deben ser eléctricamente neutros Fórmula empírica vs.. Fórmula molecular Por ejemplo el carbono, se encuentra comúnmente como una colección de estructuras tridimensionales Estas estructuras se representan fácilmente con la fórmula empírica C o C (3D) Por lo tanto, la concentración de iones en un Fórmula Fórmula compuesto iónico debe ser tal que la carga total Compuesto Molecular Empírica sea neutra En el caso del cloruro de sodio (NaCl), deberá Agua H 2 H 2 haber un ion Na positivo por cada ion Cl negativo Peróxido de hidrógeno H 2 2 H Y en el caso del ion (Ba 2+ ) y el ion (Cl - )? 1 (Ba 2+ ) + 2 (Cl - ) = Carga neutra Etileno C 2 H 4 CH 2 Fórmula empírica resultante: BaCl 2 Etano C 2 H 6 CH 3 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 40 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 41 Fórmula Se emplean para representar a los elementos de un compuesto Enlista a los elementos de un compuesto Dice cuantos elementos hay Puede mostrar como están conectados los elementos en el compuesto H 2 - agua 2 hidrógenos 1 xígeno CH 3 CH 2 H - Alcohol etílico 2 Carbonos 6 Hidrógenos 1 xígeno 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 42 Fórmulas estructurales Algunas veces, las fórmulas moleculares se pueden dibujar como fórmulas estructurales, que indican además de la composición, la estructura del material Es decir, nos dan una idea de la manera en que los átomos se encuentran unidos entre sí Aunque las fórmulas estructurales indican la manera en que están conectados los átomos, no necesariamente nos dan información acerca de la geometría real de tal compuesto 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 43 11

12 Representaciones moleculares Existe un gran número de formas de presentar a las moléculas A continuación mostraremos algunos ejemplos: El Agua: H 2 : La Sal: NaCl: 26/11/08 ESTRUCTURA MLECULAR 44 12