ENLACES QUÍMICOS. Enlace iónico

Transcripción

1 ENLACES QUÍMICOS De los aproximadamente 90 elementos químicos que se encuentran en la naturaleza sólo en unos pocos casos, los gases nobles, sus átomos constituyen entidades individuales. En los demás casos, los átomos se encuentran unidos entre sí formando entidades más complejas. Dado un sistema formado por dos átomos, debemos considerar que se establecen interacciones (fuerzas) de tipo eléctrico, entre sus núcleos, entre sus electrones y entre los núcleos de cada uno de ellos con los electrones del otro. Mientras que las dos primeras interacciones son de repulsión, las últimas son de atracción. Este conjunto de fuerzas entre ambos átomos hace que el sistema evolucione hasta un estado de equilibrio o máxima estabilidad, en el que los átomos ocupan posiciones relativas estables y se dice que están enlazados. Desde un punto de vista energético, el sistema formado por los dos átomos separados es de mayor energía potencial que cuando se encuentran enlazados. La diferencia entre las energías potenciales de ambos estados se llama Energía de enlace, que será la misma que necesitaremos para volverlos a separar, Energía de disociación. La evolución de la energía potencial del sistema entre un estado y el otro, la podemos interpretar gráficamente: La distancia entre los átomos (medida entre los centros de sus núcleos) a la que se establece el equilibrio d o, se denomina distancia de enlace. Por otra parte, si observamos las estructura electrónica de los gases nobles, podemos ver que en su último nivel energético presentan la distribución s 2 p 6 (octeto), excepto el He que por encontrarse en el primer período su estructura es s 2. Esta configuración en los gases nobles es la que les confiere una gran estabilidad y justifica la tendencia de estos átomos a no unirse entre sí ni con otros átomos (y de aquí la famosa frase: "ligas menos que los gases nobles"). Por otra parte, se ha observado que los gases nobles no presentan tendencia ni a tomar ni a ceder electrones. Sin embargo, los demás elementos presentan esta tendencia en mayor o menor medida. La electronegatividad es una medida relativa de la capacidad de un elemento para atraer a los electrones que lo enlazan a otro elemento. Esta propiedad aumenta de izquierda a derecha en los períodos y de abajo a arriba en los grupos, de tal manera que el F presenta electronegatividad 4.0 y 0.7 el Fr. Finalmente, las teorías actuales suponen que en la formación de los enlaces sólo intervienen los electrones del último nivel energético y que se denominan electrones de valencia. En realidad no intervienen todos, sino algunos cuyo número denominamos valencia. Veamos algunos modelos para explicar la formación de enlaces entre átomos. Enlace iónico Este modelo de enlace considera que partiendo de dos átomos eléctricamente neutros, uno de los átomos cede uno o varios electrones que son capturados por el otro átomo, de tal manera que, en la mayoría de los casos, los átomos alcanzan la configuración electrónica de gas noble y se forman dos iones de carga eléctrica de signo contrario entre los que se establecerán fuerzas de tipo culombiano. Este tipo de enlace se establece entre átomos con gran diferencia de electronegatividad; es decir, bastante separados en la tabla periódica.

2 El número de electrones que pierda o gane un átomo, será el necesario para que la configuración electrónica de su último nivel energético sea s 2 p 6 (octeto). Veamos un ejemplo: 11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 11 Na + 1s 2 2s 2 2p 6 Como podemos ver, el átomo de sodio pierde el electrón 3s 1 de tal manera que la estructura de su último nivel energético es 2s 2 2p 6 (octeto) y constituyéndose en Na + (catión); por su parte, el átomo de cloro, por ser más electronegativo, gana el electrón de tal manera que la estructura de su último nivel energético es 3s 2 3p 6 (octeto) y constituyéndose en Cl - (anión). Entre ambos iones se establecen fuerzas culombianas que los mantienen unidos. Na + + Cl - NaCl Del balance de energía de este proceso, se deduce que se liberan 2.4 ev. Veamos otro ejemplo: 12Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 12 Mg +2 1s 2 2s 2 2p 6 En este caso el átomo de Mg pierde los dos electrones 3s 2 que son ganados uno por cada átomo de cloro. Al igual que en el caso anterior se establecen fuerzas culombianas que mantienen unidos a los iones. Mg Cl - MgCl 2 Cuando estos procesos se realizan en sistemas con gran número de átomos, los iones resultantes se disponen regularmente en el espacio constituyendo una red cristalina (cristal). El tipo de red cristalina que se forme dependerá de las cargas de los iones y del tamaño de estos. En general, los compuestos iónicos presentan las siguientes propiedades: Son sólidos cristalinos a temperatura ambiente. Tienen elevada temperatura de fusión, lo cual nos da una idea de lo intensas que son las fuerzas que mantienen unidos a los iones. En estado sólido no conducen la electricidad. Sin embargo, fundidos son buenos conductores de la electricidad, debido a que los iones quedan libres para desplazarse. Son solubles en disolventes polares (agua). En disolución acuosa, permiten el paso de la corriente eléctrica, debido a que los iones quedan libres para desplazarse.

3 Enlace Covalente Este modelo de enlace considera que ambos átomos aportan electrones a la formación del enlace de tal manera que estos electrones son compartidos por ambos átomos perteneciendo de manera simultánea al último nivel energético de los dos átomos que de esta forma alcanzan la configuración de gas noble (octeto). Este tipo de enlace se da preferentemente entre átomos de igual o parecida electronegatividad y con valores relativamente altos, es decir entre los elementos de la parte derecha de la tabla periódica. Los átomos unidos mediante enlaces covalentes constituyen moléculas a diferencia de los que se unen mediante enlaces iónicos que constituyen cristales. Veamos algunos ejemplos de enlaces covalentes: 9F 1s 2 2s 2 2p 5 9F 1s 2 2s 2 2p 5 Otro ejemplo: 8O 1s 2 2s 2 2p 4 8O 1s 2 2s 2 2p 4 Otro ejemplo: 7N 1s 2 2s 2 2p 3 7N 1s 2 2s 2 2p 3 En los casos anteriores, los dos átomos que se unen presentan la misma electronegatividad por lo que los electrones compartidos ocupan una posición simétrica dentro del sistema. Sin embargo, cuando los dos átomos que se unen tienen distinta electronegatividad, los electrones compartidos estarán desplazados hacia el átomo más electronegativo, dando lugar a un sistema con dos zonas de densidad de carga eléctrica opuesta; es decir, un dipolo y se dice que el enlace presenta polaridad. Así por ejemplo: 1H 1s 1 17Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 La polaridad de las moléculas no se presentará en el caso de que éstas tengan simetría lineal como es el caso de la molécula O=C=O. Sin embargo, la molécula del agua no es lineal, por lo que presentará polaridad. En general, los compuestos covalentes presentan las siguientes propiedades:

4 Están constituidos por moléculas. Son malos conductores del calor y la electricidad. Tienen temperaturas de fusión y ebullición bajas, por lo que a temperatura ambiente suelen ser gases o líquidos. En caso de ser sólidos, son blandos. Una excepción lo constituye el diamante que presenta estructura cristalina y es muy duro. Son, en muchos casos, insolubles en agua. Un caso particular de enlace covalente es aquel en el que los electrones compartidos proceden de un mismo átomo. Por ejemplo: Fuerzas intermoleculares Estos enlaces se presentan entre átomos de distintas moléculas (entre moléculas) y son más débiles que los enlaces covalentes entre átomos de una misma molécula. Se establecen entre moléculas que tienen átomos muy electronegativos que interaccionan con los átomos menos electronegativos de otra molécula. Estos enlaces justifican, por ejemplo, el estado líquido o sólido de aquellas sustancias que a temperatura ambiente son gases. Un enlace de este tipo es el llamado enlace de hidrógeno, muy característico entre las moléculas del agua. Enlace metálico Con este modelo se trata de justificar las propiedades generales que presentan los metales. Según este modelo, los electrones de valencia de los átomos han escapado para constituir una nube electrónica que envuelve a los iones positivos, formados por los núcleos y los niveles electrónicos inferiores, los cuales se distribuyen regularmente en el espacio formando una red cristalina compacta. Es la nube electrónica la que mantiene unidos a los iones positivos que de otra forma tenderían a separarse. Este tipo de enlace se presenta entre elementos con baja electronegatividad situados en el centro e izquierda de la tabla periódica.

5 Las sustancias con estos tipos de enlace presentan propiedades: Alta densidad debida al buen empaquetamiento de los iones positivos. Buenos conductores de la electricidad y el calor debido a la movilidad de los electrones de la nube electrónica. Son dúctiles y maleables debido a la posibilidad de desplazamiento de unos iones sobre otros sin que aparezcan fuerzas repulsivas. Emiten fácilmente electrones (efectos fotoeléctrico y termoeléctrico). Finalmente, hemos de tener en cuenta que estos modelos de unión entre átomos son teóricos y que en realidad no podemos hablar de uniones puramente iónicas o covalentes, sino que un determinado enlace presenta más o menos carácter iónico o covalente. Así, si la diferencia de electronegatividad entre los átomos que forman el enlace es inferior a 1.7, podremos hablar de un enlace predominantemente covalente; y en caso contrario, iónico. ALGUNOS EJERCICIOS 1) A qué se debe que los átomos de los gases nobles sean muy estables? 2) Por su posición en la tabla periódica, orden los siguientes elementos de mayor a menor electronegatividad: S, K, Cl y Cr. 3) Indica la tendencia que seguirán los siguientes átomos para alcanzar mayor estabilidad: Ca, O, Li y F. 4) Explica la formación del enlace entre F y Cs. De qué tipo será? qué propiedades generales presentará el compuesto resultante? 5) Explica la formación de enlaces entre H y N para formar amoniaco. De qué tipo serán los enlaces? qué propiedades generales presentará el amoniaco? 6) De los siguientes compuestos, cuáles formarán moléculas y cuales tendrán estructura cristalina? LiCl H 2 S N 2 O 5 BaS CH 4 7) Lo hidruros covalentes de la familia de los anfígenos son: H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te. Todos son gases excepto el agua por qué? 8) Un átomo tiene 0.8 de electronegatividad y otro 1.0 qué tipo de enlace se dará entre ellos? 9) Cuándo presentará polaridad una molécula? 10) Si te dan una sustancia que es sólida e insoluble a temperatura ambiente será un compuesto iónico o covalente? 11) Qué tipo de enlace se dará entre los átomos de una sustancia sólida que es buena conductora de la electricidad? 12) Cuál es la principal diferencia estructural entre una sustancia iónica y otra covalente? 13) Por qué no presenta polaridad la molécula de CS 2? 14) De las siguientes moléculas cuales presentarán enlaces de hidrógeno? H 2 O CH 4 H 2 F 2 NH 3 15) La energía liberada en la unión de dos átomos de flúor es de 37 kcal/mol. Cuál será la energía necesaria para disociar una molécula de F 2? 16) Diferencia el comportamiento de los metales del de los electrólitos, en estado líquido, al paso de la corriente. 17) Qué nos indica la fórmula de un compuesto iónico? Por ejemplo KCl 18) Qué nos indica la fórmula de un compuesto covalentes? Por ejemplo H 2 O 19) Por qué las sustancias iónicas sólo se disuelven en disolventes polares? 20) La teoría del enlace iónico nos permite deducir la fórmula de los compuestos iónicos. Utilízala para prever la fórmula de los siguientes pares de elementos: potasio con iodo, aluminio con cloro y calcio con azufre. 21) De las siguientes sustancia cuales crees que se pueden disociar en iones? qué iones se formarán en cada caso? Al 2 S 3, H 2 O, MgCl 2, Cl 2