ENLACES ATOMICOS ENLACE IÓNICO. Propiedades de las sustancias iónicas. Propiedades de materiales con enlaces iónicos

Transcripción

1 ENLACES ATOMICOS ENLACE IÓNICO El enlace iónico se produce entre átomos de elementos metálicos y no metálicos, cuando uno de los átomos capta electrones del otro. Los metales donan uno o más electrones formando cationes que son iones de carga positiva, los electrones son atraídos con más fuerza por los no metales, que se transforman en iones con carga negativa o aniones. La atracción electrostática entre los iones de carga opuesta causa que se unan y formen un enlace. Este tipo de atracción determina las propiedades de los compuestos iónicos. Si la atracción electrostática es fuerte, se forman sólidos cristalinos de elevado punto de fusión e insolubles en agua; si la atracción es menor, como en el caso del cloruro de sodio (NaCl), el punto de fusión también es menor y, en general, son solubles en agua e insolubles en líquidos apolares como el benceno. Las sustancias iónicas conducen la electricidad cuando están en estado líquido o en disoluciones acuosas, pero no en estado cristalino, porque los iones individuales son demasiado grandes para moverse libremente a través del cristal. Propiedades de las sustancias iónicas Las sustancias iónicas se encuentran en la naturaleza formando redes cristalinas, por tanto son sólidas. Su dureza es bastante grande, y tienen por lo tanto puntos de fusión y ebullición altos. Son solubles en disolventes polares como el agua. Tienen una conductividad eléctrica alta cuando se encuentran disueltas. Propiedades de materiales con enlaces iónicos Los enlaces iónicos confieren una alta estabilidad y resistencia a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación con los metales. Son generalmente aislantes. Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones críticas es muy limitado. Los materiales cerámicos pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras cristalinas Puesto que en los materiales con enlaces iónicos los electrones están localizados, la conductividad de los materiales iónicos es relativamente mala. Para que exista conductividad, los iones deben moverse con el campo eléctrico; pero, debido a que son pesados, se mueven con gran lentitud y son, por lo tanto, malos conductores térmicos y eléctricos a temperaturas bajas. La energía de enlace

2 como consecuencia de la formación de enlaces iónicos es relativamente grande y, por ende, cabría esperar que los materiales fueran de alto punto de fusión. Los cerámicos son ejemplos de materiales con enlaces iónicos y se utilizan con gran eficacia para soportar ambientes de alta temperatura y como aisladores y dieléctricos, pero son muy frágiles a causa de la naturaleza localizada del enlace. ENLACE COVALENTE En química, las reacciones entre dos átomos no metales producen enlaces covalentes. Este tipo de enlace se produce cuando existe una electronegatividad polar, donde la diferencia de electronegatividad no es suficientemente grande como para que se efectúe transferencia de electrones, entonces los átomos comparten uno o más pares electrónicos formando nuevo tipo de orbital denominado orbital molecular. Esta nueva formación se puede explicar con la Teoría del enlace de valencia, la cual menciona que en la formación de enlaces entre dos átomos participan sus orbitales de la capa de valencia. Para que se produzca un enlace, generalmente, cada átomo tiene que tener un orbital con un electrón desapareado. La comparición de electrones, propia del enlace covalente, se da por aproximación de las nubes de carga de los orbitales, lo que se indica diciendo que los orbitales solapan. El solapamiento de los electrones de los átomos se puede dar de distintas maneras: Frontal: si los dos orbitales atómicos se superponen enfrentados por sus extremos. El enlace que se forma en este caso se denomina σ y la densidad electrónica es máxima entre los núcleos. Lateral: si los dos orbitales atómicos se superponen paralelamente, de forma que la densidad electrónica sea máxima por encima y por debajo de la línea internuclear. Este enlace se denomina π, y es más débil (su energía de enlace es menor) que el σ.

3 La fórmula molecular en los enlaces covalentes dependerá de la covalencia o valencia covalente de los átomos que enlazan. La valencia covalente es el número de enlaces covalentes que puede formar un átomo y se relaciona con el número de electrones desapareados que el átomo tiene en su configuración fundamental o, en aquella otra, que no se diferencie mucho en energía con la fundamental. En el enlace covalente, cuando se comparten dos pares de electrones se forma un enlace doble y si se comparten tres pares tenemos un enlace triple. Los electrones compartidos pueden provenir uno de cada átomo o ambos de un solo átomo; llamándose, en este segundo caso, enlace covalente coordinado que suele representarse mediante una flecha, para indicar que átomo proporciona el par de electrones. Se dice también que el enlace covalente es saturado porque los elementos tienden a saturar de electrones su capa de valencia de acuerdo con lo indicado en los mecanismos A y A' propuestos por Lewis. El enlace covalente es direccional porque no está relacionado sólo con un campo electrostático de tipo Coulomb. También puede interpretarse cualitativamente como una consecuencia de la búsqueda de una disposición geométrica de los átomos que enlazan que evite, en lo posible, las repulsiones entre los pares electrónicos enlazante Propiedades de los compuestos con enlace covalente: Hay que distinguir entre aquellos en los que la formación de enlaces de tipo covalente da lugar a compuestos moleculares y otros en los que se forman redes tridimensionales: Las redes covalentes se forman por átomos que se unen entre sí por uniones covalentes, por ello la fuerza de unión es fuerte. Las propiedades de este tipo de compuesto vendrán definidas por este hecho:

4 Presentan elevados puntos de fusión (generalmente subliman si se sigue calentando) Muy poco solubles en cualquier tipo de disolvente. Suelen ser duros. Suelen ser malos conductores de la electricidad. Son sustancias de este tipo el diamante, SiO 2 (cuarzo), carburo de silicio (Si 2 C), nitruro de boro (BN), etc. Las sustancias covalentes moleculares se caracterizan porque sus átomos se unen mediante enlaces covalentes, pero forman entidades moleculares individuales. Estas interaccionan entre sí mediante fuerzas intermoleculares, siendo el tipo de fuerza intermolecular presente la responsable de las propiedades que presentan las sustancias: Se pueden presentar en estado sólido, líquido o gaseoso a temperatura ambiente. En general, sus puntos de fusión y ebullición no son elevados, aunque serán mayores cuando las fuerzas intermoleculares que une a las moléculas sea más intensa. Suelen ser blandas y elásticas, pues al rayarlas sólo se rompen las fuerzas intermoleculares. La solubilidad es variable, siendo solubles en disolventes de polaridad similar. Los compuestos polares se disuelven en disolventes polares, los apolares en los disolventes apolares. En general, son malos conductores de la electricidad. Aunque la conductividad eléctrica se ve favorecida si aumenta la polaridad de las moléculas. Son muchas las sustancias de este tipo: H 2, Br 2, H 2 O, NH 3, compuestos orgánicos, etc. Ejemplos de enlaces covalentes Los enlaces covalentes pueden estar presentes en las llamadas moléculas diatómicas como H 2,N 2,O 2,F 2,C 2,Br 2, I 2. En el caso de gas hidrogeno, este esta compuesto átomos de H separados moléculas de H 2 y no de Cuando un átomo de H se enlaza a otro átomo de H para formar un enlace sigma, no puede ocurrir transferencia porque cada átomo de H tiene la misma capacidad de atraer electrones. En otras palabras, los dos átomos de H tienen la misma electronegatividad. En su lugar, los átomos de H comparten sus electrones para adquirir la configuración estable del gas noble de dos electrones (isoelectrónica con el He). Se puede decir que los electrones compartidos pertenecen a ambos átomos simultáneamente.

5 En el H 2, el orbital 1s del átomo de hidrógeno, se superpone con el orbital 1s de otro átomo de hidrógeno. También existen algunas sustancias compuestas por enlaces covalentes Metano El metano es el hidrocarburo alcano más sencillo, es un gas. Su fórmula química es CH 4. Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido al carbono por medio de un enlace covalente. Es una sustancia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas y presiones ordinarias. Es incoloro e inodoro y apenas soluble en agua en su fase líquida. Estructura de Lewis H H-C-H H Enlace covalente no polar hidrógeno y metano. carbono: ENLACE METÁLICO Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre cationes y los electrones de valencia) de los metales entre sí. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren la estructura típica de empaquetamiento compacto de esferas. En este tipo de estructura cada átomo metálico está rodeado por otros doce átomos (seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo). Además, debido a la baja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales y tiene la capacidad de moverse libremente a través del compuesto metálico, lo que otorga las propiedades eléctricas y térmicas de los metales.

6 Hay dos modelos que explican la formación del enlace metálico. El modelo de la nube de electrones y la teoría de bandas. Modelo de la nube electrones Según este modelo, los átomos metálicos ceden sus electrones de valencia a una "nube electrónica" que comprende todos los átomos del metal. Así pues, el enlace metálico resulta de las atracciones electrostáticas entre los restos positivos y los electrones móviles que pertenecen en su conjunto a la red metálica. En el enlace metálico, los electrones no pertenecen a ningún átomo determinado. Además, es un enlace no dirigido, porque la nube electrónica es común a todos los restos atómicos que forman la red. Es importante mencionar que los átomos cuando han cedido los electrones a la nube común, no son realmente iones, ya que los electrones quedan dentro de la red, perteneciendo a todos los "restos positivos". Por ejemplo: En un trozo de sodio metálico, los iones están localizados en una posición fija en el metal y los electrones de valencia (uno por cada átomo de sodio) están libres para moverse entre las varias nubes electrónicas.

7 Teoría de bandas: Esta teoría representa un modelo más elaborado para explicar la formación del enlace metálico; se basa en la teoría de los orbitales moleculares. Esta teoría mantiene que cuando dos átomos enlazan, los orbitales de la capa de valencia se combinan para formar dos orbitales nuevos que pertenecen a toda la molécula, uno que se denomina enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de mayor energía). Si se combinasen 3 átomos se formarían 3 orbitales moleculares, con una diferencia de energía entre ellos menor que en el caso anterior. En general, cuando se combinan N orbitales, de otros tantos átomos, se obtienen N orbitales moleculares de energía muy próxima entre sí, constituyendo lo que se llama una "banda" En los metales existe un número muy grande de orbitales atómicos para formar enlaces deslocalizados que pertenezcan a toda la red metálica (como si fuese una gran molécula). Como el número de orbitales moleculares es muy grande forman una banda en la que los niveles de energía, como se ha dicho anteriormente, están muy próximos. En los metales se forman dos bandas. Una en la que se encuentran los electrones de la capa de valencia que se denomina "banda de valencia" y otra que se llama "banda de conducción" que es la primera capa vacía. En los metales, la banda de valencia está llena o parcialmente llena; pero en estas sustancias, la diferencia energética entre la banda de valencia y la de conducción es nula; es decir están solapadas. Por ello, tanto si la banda de valencia está total o parcialmente llena, los electrones pueden moverse a lo largo de los orbitales vacíos y conducir la corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial. Propiedades de los enlaces metálicos Entre las características básicas producidas por la naturaleza del enlace metálico, en los metales, podemos destacan: Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio, y sus puntos de fusión y ebullición varían notablemente.

8 Las conductividades térmicas y eléctricas son muy elevadas (esto se explica por la enorme movilidad de sus electrones de valencia). Presentan brillo metálico, por lo que son menos electronegativos. Son dúctiles y maleables (la enorme movilidad de los electrones de valencia hace que los cationes metálicos puedan moverse sin producir una situación distinta, es decir, una rotura). Pueden emitir electrones cuando reciben energía en forma de calor. Tienden a perder electrones de sus últimas capas cuando reciben cuantos de luz (fotones), fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico. Ejemplos de sustancias con enlaces metálicos El acero es una aleación de hierro con carbono, que puede tener, además, pequeñas cantidades de otros metales como cromo o níquel, y es muy resistente a la corrosión. El duraluminio es una aleación de aluminio con cobre y otros metales como manganeso y magnesio, caracterizada por ser más ligera y más dura que el aluminio. El latón es una aleación de cobre y zinc, muy utilizada para fabricar tubos y planchas. Las aleaciones del mercurio se llaman amalgamas. Las de plata y zinc son muy utilizadas por los dentistas para llenar las cavidades dentales. El mercurio, que solo es muy venenoso, cuando se encuentra en esta amalgama no representa mayor problema de salud.