Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 1

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1 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 1 ÁTOMOS Y MOLÉCULAS Recuerda: Los átomos son eléctricamente neutros porque tienen el mismo número de cargas negativas (electrones) que positivas (protones). Pero los átomos pueden ganar o perder electrones y de esta manera formar iones (átomos cargados eléctricamente). Si admitimos que la materia está formada por átomos, llegaremos a la conclusión de que esos átomos tienen que estar unidos unos a otros de alguna manera. Los gases nobles son los únicos elementos que se encuentran en la naturaleza como átomos individuales. El resto de los elementos químicos se encuentran unidos entre sí o a otros elementos. Por ejemplo: el oxígeno de nuestra atmósfera es una molécula compuesta por dos átomos; en un trozo de hierro hay trillones de átomos unidos entre sí; en una gota de agua hay un número enorme de moléculas constituidas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; la sal común (cloruro de sodio) es un cristal compuesto por cloro y sodio; etc. Los átomos se unen entre sí para formar entidades mayores, más complejas, como las moléculas o los cristales. A esa unión de los átomos entre sí para formar entidades mayores le llamamos enlace químico. En resumen: los átomos se unen unos a otros mediante enlaces químicos. Las propiedades de las sustancias químicas no sólo dependen del tipo de elementos que la forman. También depende del tipo de enlace químico existente entre los átomos de esos elementos. La teoría del enlace químico justifica las propiedades de las sustancias y, además, nos permite predecir qué propiedades tendrá una sustancia determinada, dependiendo del tipo de enlace químico que presenten sus átomos.

2 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 2 POR QUÉ SE UNEN LOS ÁTOMOS? Todos los cuerpos en la naturaleza tienden espontáneamente a alcanzar situaciones de mínima energía porque eso implica una mayor estabilidad para ellos. Esto también ocurre con los átomos. Si los átomos de la naturaleza aparecen unidos es porque se encuentran en una situación de menor energía que si estuvieran separados, es decir, al estar unidos forman estructuras de mayor estabilidad que si estuvieran separados. Cuando los átomos se unen mediante un enlace químico, desprenden una cierta cantidad de energía llamada energía de enlace. La liberación de esa energía de enlace es la fuente de energía más importante en el planeta Tierra. Sin ella no existiría la vida. Una teoría sencilla para explicar por qué se unen los átomos es la basada en el hecho de que los elementos del grupo 18 de la tabla periódica (los gases nobles) prácticamente no se combinan entre sí ni con otros átomos: son gases constituidos por átomos independientes. Esto indica que las configuraciones de los gases nobles son especialmente estables. Si escribiéramos las configuraciones electrónicas de todos los gases nobles, observaríamos que, con excepción del helio que sólo posee dos electrones, todos ellos poseen 8 electrones en su último nivel permitido. Como la configuración electrónica de un gas noble es especialmente estable, cabe suponer que el resto de átomos que no tengan esa configuración tenderán a adquirirla: Los átomos tienden a poseer 8 electrones en su último nivel permitido (regla del octeto). TEORÍA ELECTRÓNICA DEL ENLACE En 1916, Kossel y Lewis sugirieron que esa característica de los gases nobles podía servir de base para elaborar un modelo del enlace químico y sugirieron la siguiente hipótesis: Cuando los elementos químicos forman compuestos químicos, ganan, pierden o comparten electrones para alcanzar configuraciones electrónicas estables (de baja energía) similares a las de los gases nobles más próximos en la tabla periódica. Unos átomos lo harán perdiendo los electrones que les sobren, como les ocurre a los elementos metálicos, que tienen tendencia a formar iones positivos. Otros lo harán ganado los electrones que les falten, como es el caso de los elementos no metálicos, que tienden a formar iones negativos.

3 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 3 CLASES DE ENLACES La teoría de enlaces que vamos a desarrollar supone que los responsables de la unión entre átomos, los responsables del enlace, son los electrones del último nivel. Una forma sencilla de acercarse a la teoría del enlace químico es considerar tres modelos de enlace, dependiendo del proceso que siguen los átomos para conseguir la estabilidad. Esos tres modelos son: el enlace iónico, el enlace covalente y el enlace metálico. EL ENLACE IÓNICO Recuerda: los átomos que ceden electrones con facilidad se los llaman electropositivos y a los que aceptan electrones con facilidad electronegativos. Los elementos de los grupos 16 y 17 de la tabla periódica están muy cercanos a los gases nobles y poseen una configuración electrónica en la que sólo falta 1 o 2 electrones para completar un octeto (8 electrones en su último nivel). Estos elementos aceptan electrones con facilidad y son, por tanto, electronegativos. Sin embargo, a los elementos de los grupos 1 y 2, les sobra 1 o 2 electrones de su último nivel para tener un octeto (la configuración electrónica de un gas noble). Estos elementos ceden electrones con facilidad y son, por tanto, electropositivos.

4 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 4 Cuando un elemento electropositivo reacciona con un elemento electronegativo, el primero cede electrones al segundo, convirtiéndose el primero en un ion positivo (catión) y el segundo en un ion negativo (anión). Mediante esta transferencia de electrones ambos consiguen la configuración electrónica de un gas noble. Pero como son dos partículas cargadas, una positiva y otra negativa, entre ellas aparece inmediatamente una intensa fuerza eléctrica que las mantiene unidas. Esto es lo que sucede entre el cloro y el sodio en la formación del cloruro de sodio. El sodio (Na) es un metal del grupo 1, de configuración electrónica 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1. El sodio cede el electrón del nivel 3s y se convierte en un ion Na + de configuración electrónica 1s 2 2s 2 2p 6, como la del gas noble neón (Ne), con 8 electrones en el nivel 2. El cloro (Cl) es un no metal del grupo 17, de configuración electrónica 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5. El electrón que cede el sodio es captado por el cloro y lo añade a su nivel 3p, convirtiéndose en el ion Cl - de configuración electrónica 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6, como la del gas noble argón (Ar), con 8 electrones en su nivel 3. Los iones Na + y Cl - se atraen electrostáticamente formando una red iónica tridimensional (un cristal iónico) en la que cada ion cloro está rodeado por seis iones de sodio, y cada ion sodio está rodeado por seis iones cloro. Como puedes ver, el enlace iónico se produce entre los elementos metálicos de la parte izquierda de la tabla periódica y los elementos no metálicos de la parte derecha. El enlace iónico es la unión entre átomos de un metal y un no metal por transferencia de electrones del primero al segundo. Las sustancias iónicas no forman moléculas sino grandes aglomerados de iones positivos y negativos llamados cristales iónicos. Los cristales iónicos, al igual que las moléculas, son eléctricamente neutros y se representan por una fórmula. La fórmula de una sustancia iónica indica la proporción en la que intervienen los átomos que forman el cristal. La fórmula del cloruro de sodio, NaCl, indica que en los cristales de cloruro de sodio hay un átomo de Na por cada átomo de Cl. En el caso del cloruro de cesio, CsCl 2, la fórmula indica que en esos cristales hay un átomo de Cs por cada dos átomos de Cl. Otros ejemplos de enlaces iónicos son: CaH 2, FeO, NaH, Al 2 O 3. (Intenta explicar cómo se forman estas sustancias).

5 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 5 PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS IÓNICOS A temperatura ambiente, los compuestos iónicos son sólidos. La fuerza electrostática entre iones de distinto signo es muy intensa y mantiene muy unidos a dichos iones. Tienen altos puntos de fusión y de ebullición. Al ser la fuerza de unión entre iones muy intensa, la energía que se necesita para separarlos es muy grande. Son duros y quebradizos. Una pequeña deformación en un cristal iónico produce un enfrentamiento entre iones del mismo signo, lo que origina una fuerte repulsión electrostática entre ellos y el cristal se rompe. Son malos conductores de la electricidad y el calor en estado sólido. Esto se debe a que los iones que forman el cristal carecen de movilidad en el sólido. Son buenos conductores de la electricidad cuando se funden o se disuelven en agua. En estas condiciones los iones se pueden mover con facilidad. Son solubles en agua. Disueltos en agua son buenos conductores de la electricidad. EL ENLACE COVALENTE Si se unen entre sí átomos no metálicos, como no pueden ceder electrones unos a otros, deberán conseguir la estructura del gas noble más próximo mediante otro mecanismo. La idea en la que basa el enlace covalente, propuesta por Lewis en 1923, es que esos átomos pueden compartir electrones para conseguir el octeto.

6 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 6 Los átomos se unen por medio de pares de electrones compartidos. La unión se produce mediante fuerzas eléctricas muy fuertes. Los dos electrones que forman el enlace pertenecen simultáneamente a los dos átomos que se enlazan. Es lo que hacen dos átomos de flúor, F, para formar la molécula F 2. En el caso de la molécula de oxígeno, O 2, se forma un doble enlace covalente, mientras que en la molécula de nitrógeno, N 2, se produce un triple enlace covalente. En muchas sustancias covalentes los átomos se unen formando unidades elementales constituidas por un número fijo de átomos. Estas unidades elementales se llaman moléculas y se representan por la fórmula del compuesto: CH 4 ; O 2 ; N 2. Las moléculas se pueden unir unas a otras mediante fuerzas intermoleculares de menor intensidad que las uniones covalentes entre los átomos de las moléculas. REPRESENTACIÓN DE LOS ENLACES COVALENTES Una forma muy sencilla de representar las moléculas covalentes es mediante las estructuras de Lewis. Esta representación consiste en escribir el símbolo de cada átomo rodeado por sus electrones de valencia (los electrones de la capa más externa) y acomodar estos átomos de manera que compartan electrones siguiendo la regla del octeto, según la cual cada átomo que forma la molécula tiene que estar rodeado por 8 electrones (excepto el hidrógeno, que estaría rodeado por 2).

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8 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 8 Otros ejemplos de sustancias covalentes son: Cl 2, NH 3, CO 2. (Dibuja las estructuras de Lewis de estas sustancias). SÓLIDOS COVALENTES Algunos elementos no metálicos como del carbono, C, y el silicio, Si, pueden formar sólidos, que son estructuras gigantes de átomos iguales unidos por enlaces covalentes. Un ejemplo de sólido covalente es el diamante, una estructura gigante formada por átomos de carbono unidos a otros átomos de carbono mediante enlaces covalentes. Cada átomo de carbono es el centro de un

9 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 9 tetraedro regular rodeado por otros cuatro átomos de carbono situados en las esquinas del tetraedro. La estructura se repite en las tres direcciones del espacio formando un cristal atómico. Estos enlaces son muy fuertes por lo que el diamante es una de las sustancias más duras de la naturaleza, con altos puntos de fusión y ebullición. En el grafito, los átomos de carbono están ordenados en capas paralelas. Cada capa contiene millones de átomos de carbono ordenados en forma hexagonal fuertemente unidos por enlaces covalentes formando láminas bidimensionales. Sin embargo, los enlaces entre láminas son débiles, de manera que pueden deslizar unas sobre otras fácilmente. Posee un punto de fusión muy alto y conduce bien la electricidad en estado sólido. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS COVALENTES A temperatura ambiente pueden ser gases, líquidos o sólidos. Depende de la intensidad de las fuerzas intermoleculares. Por ejemplo, las fuerzas entre las moléculas de hidrógeno son muy débiles y por esta razón el hidrógeno es un gas. Las uniones entre las moléculas de agua, aunque son también muy débiles, son un poco más fuertes que la que existe entre las moléculas de hidrógeno, y por esta razón el agua es un líquido. Poseen bajos puntos de fusión y de ebullición. Las uniones entre moléculas son muy débiles en comparación con los fuertes enlaces covalentes entre los átomos de cada molécula. En general, son insolubles en agua. Son bastante estables y de escasa reactividad. Los sólidos como el yodo, el diamante o el óxido de silicio (cuarzo) son muy duros, más que los sólidos iónicos, y con altos puntos de fusión y ebullición. EL ENLACE METÁLICO Se podría decir que el enlace metálico es un enlace covalente en el que la compartición de electrones, en vez de hacerse entre dos átomos, se hace entre varios. En el enlace metálico tiene lugar una compartición de electrones por muchos átomos. Los átomos de los elementos metálicos no forman moléculas. Estos átomos tienden a unirse entre sí para dar lugar a estructuras gigantes tridimensionales (redes cristalinas), en la que los átomos metálicos permaneces fuertemente unidos. Los átomos se sitúan en los nudos de la red como iones atómicos positivos, cediendo algunos electrones de la última capa al resto de átomos de la red cristalina. Estos electrones pueden moverse libremente entre los iones atómicos positivos, de forma que cada electrón pertenece simultáneamente a todos los átomos de la red sin estar ligado a un átomo en particular, formando una especie de gas de electrones deslocalizados que se mueven entre los iones atómicos de la red cristalina.

10 Física y Química 4º E.S.O. EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Pág. 10 Algunas sustancias metálicas son: el sodio, Na, cobre, Cu, hierro, Fe, plata, Ag, níquel, Ni, litio, Li, platino, Pt, mercurio, Hg, oro, Au, titanio, Ti, etc. Los metales presentan algunas características propias: Las superficies metálicas recién cortadas presentan un brillo característico. Los metales que se pueden tocar con las manos desnudas producen una sensación de frío metálico relacionada con su alta conductividad térmica. PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS METÁLICOS Tienen una alta conductividad térmica y eléctrica. Se debe a que los electrones se pueden mover casi libremente por toda la red. Los metales son maleables y dúctiles. Se debe a que sus átomos pueden deslizarse unos sobre otros. Tienen temperatura de fusión y ebullición muy altas. Los enlaces metálicos son muy fuertes y es muy difícil separar unos átomos de otros. Insolubles en agua.