Física Química 4º de ESO Unidad didáctica Sistema Periódico y enlace químico.
Ficha nº 2: S.P. y enlace químico Física Química 4º de ESO 1.- Características de las partículas constituyentes del átomo. Partícula Masa en Kg Masa en umas Carga en C Carga relativa Electrón 9,108.10 31 0,00055 1,602.10 19 1 Protón 1,672.10 27 1,00759 +1,602.10 19 +1 Neutrón 1,675.10 27 1,00898 0 0 2.- Modificaciones al modelo atómico de Bohr: Números cuánticos. El modelo atómico de Bohr no podía ser del todo correcto porque sólo podía explicar el espectro del átomo de hidrógeno (el más sencillo que hay); por eso se le empezaron a realizar algunas modificaciones reflejadas por cuatro números cuánticos: Nº Cuántico Descripción n Principal - Ya fue definido por Bohr. - Es el número de capa. Representa la distancia promedio del electrón al núcleo - Puede tomar valores enteros desde 1 hasta, pero en el estado fundamental del átomo más grande sólo puede llegar hasta 7. - n=1 representa la capa más cercana al núcleo y a medida que aumenta n, la capa estará más alejada. l Secundario - La primera modificación que surgió fue pensar que las órbitas no eran circulares sino que podían tener formas diferentes. - El número de posibles órbitas depende de la capa en la que nos encontremos, por eso l puede tomar valores enteros desde 0 hasta (n-1). - Por razones históricas, a cada una de estas posibles formas de órbitas se les asigna una letra: si l = 0 s si l = 1 p si l = 2 d si l = 3 f si l =... orden alfabético m Magnético - Si el espectro de un átomo se realiza en el interior de un campo magnético, este se complica, es decir, aparecen muchas más líneas. - El número de líneas nuevas que aparecen depende del número cuántico secundario l, por eso, el número cuántico magnético m puede tomar valores enteros entre l,..., 0,... + l. s Spín - Históricamente se asocia este número al movimiento de rotación del electrón, por eso sólo puede tomar dos valores que son +½ y ½. 5
3.- Configuraciones electónicas. Para realizar la configuración electrónica de un átomo o ión, hay que averiguar cuántos electrones tiene y distribuirlos en los distintos orbitales siguiendo estas tres reglas: 1ª.- Cada orbital puede tener, como máximo, dos electrones con spines antiparalelos. En un átomo no puede haber dos e - con los cuatro números cuánticos iguales (principio de exclusión de Pauli). 2ª.- Los orbitales se llenan empezando por el de menor energía y siguiendo por los demás en orden creciente (principio de aufbau). Dicho orden es el siguiente: 3ª.- Cuando se llenan orbítales de la misma energía, orbitales degenerados (por ejemplo los 3 p o los 5 d) primero se coloca un electrón en cada uno de dichos orbitales y, cuando todos poseen uno (con el mismo saín) se coloca el segundo. El objetivo es que haya el mayor número de electrones desapareados girando en el mismo sentido (regla de la máxima multiplicidad de Hund). Por ejemplo, el carbono tiene de número atómico 6, es decir, tiene 6 protones y al ser neutro también tendrá 6 electrones. Siguiendo las reglas antes descritas, su configuración electrónica será: 6
4.- Sistema Periódico actual y configuración electrónica. 7
5.- Tipos de elementos atendiendo a su configuración electrónica. - Metales: - Elementos que tienen pocos electrones en la última capa (1, 2 ó 3). - Tienen tendencia a perderlos para adquirir configuración electrónica de gas noble (tener la última capa completa). - Se cargarán positivamente formando lo que se denomina un catión. - No metales: - Elementos que tienen muchos electrones en la última capa (5, 6 ó 7). - Tienen tendencia a ganar para adquirir configuración electrónica de gas noble (completar la última capa). - Se cargarán negativamente formando lo que se denomina un anión. - Gases Nobles: - Elementos que tienen la última capa completa (8 electrones). - No tienen tendencia ni a ganar ni a perder electrones ya que tienen su última capa completa. - No reaccionan con nada, son muy estables. 6.- Regla del octeto. - Todos los elementos tienden a ganar, perder o compartir un número de electrones tratando de adquirir la configuración electrónica del gas noble más cercano a él, es decir, tener 8 electrones en su última capa (a excepción de los elementos más cercanos al Helio que sólo tienden a tener 2). 7.- Relación entre tipos de enlaces y tipos de sustancias: 8
8.- Características del enlace iónico: - Se da entre un metal y un no metal. - El metal pierde los pocos electrones de su última capa cargándose positivamente, formando un catión. - El no metal gana los electrones que le faltan en su última capa para completarlos, formando un anión. - Se produce una transferencia de electrones del metal al no metal. - Los iones de distinto signo se atraen, pero no se atrae un solo catión con un solo anión, sino muchos con muchos formando redes cristalinas. - Los iones de un signo se rodean de iones de signo contrario tratando de maximizar las fuerzas de atracción y minimizar las de repulsión. - La fórmula química de estos compuestos representa la proporción de los iones en la red cristalina. - En el caso del Cloruro sódico, en la red cristalina, un catión Na + se rodea de seis aniones Cl y al revés, cada anón Cl se rodea de 6 cationes Na +. La proporción de los iones en la red es 1:1, de ahí que su fórmula química sea NaCl. 9
9.- Propiedades de las sustancias iónicas: Propiedad Justificación - A temperatura ambiente Ya que los iones están muy fuertemente unidos en la red iónica por todos son sólidos. grandes fuerzas de atracción. - Puntos de fusión y ebullición altos. grandes fuerzas de atracción. Ya que los iones están muy fuertemente unidos en la red iónica por - En estado sólido no Ya que los iones no poseen movilidad al estar fuertemente unidos en conducen la electricidad. la red cristalina. - Fundidos o disueltos sí Ya que se desmorona la red cristalina y al poseer los iones movilidad conducen la electricidad. pueden conducir la electricidad. - Se disuelven en disolventes polares (como el do sus dipolos de forma conveniente para debilitar las grandes fuerzas Ya que las moléculas del disolvente polar rodean a los iones orientan- agua) pero no en apolares u orgánicos (como el tienen las moléculas del disolvente apolar al no poseer dipolos. de atracción entre los iones en la red cristalina, y esta posibilidad no la benceno). - Son duros pero frágiles. Son duros por las grandes fuerzas de atracción entre los iones de la red cristalina, pero una leve fuerza puede provocar un desplazamiento de los iones, rompiendo ese ordenamiento perfecto de los iones positivos y negativos, y las fuerzas que antes eran de atracción pasan a ser de repulsión y la red cristalina se rompe. + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - - + - + - + - + - + - + + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - - + - + - + - + - + - + + - + - + - + - + - + - fuerzas de atracción fuerzas de repulsión 10.- Características del enlace covalente: - Se da entre dos no metales. - Los no metales tienden a compartir un número determinado de electrones para adquirir configuración electrónica de gas noble. - La unión de los átomos se debe a esa compartición de los electrones, que en su movimiento están más tiempo entre los dos núcleos tratando de unirlos. 10
11.- Clasificación de los enlaces covalentes: Clasificación Nombre Descripción Atendiendo a Simple Se comparte un par de electrones entre los dos átomos que se unen. cuántos pares de Se comparten dos pares de electrones entre los dos átomos que se Doble electrones se unen. comparten Se comparten tres pares de electrones entre los dos átomos que se Triple unen. Los electrones se comparten por igual entre los dos átomos que se Apolar unen. Sólo se puede dar cuando los dos átomos que se unen son del Atendiendo a cómo se comparten los electrones. Polar mismo elemento. Los electrones se comparten de forma desigual entre los dos átomos que se unen. Se da cuando los dos átomos que se unen son de elementos diferentes Los electrones pasan más tiempo alrededor de un átomo que del otro por lo que se carga con una fracción de carga negativa y el otro con una fracción de carga positiva; es decir, se forman dipolos en la molécula. 12.- Tipos de sustancias con enlaces covalentes. Nombre Moleculares Covalentes Descripción - Los átomos se unen fuertemente a través de enlaces covalentes formando moléculas. De ahí el nombre de este tipo de compuestos. - Las moléculas se unen entre sí por débiles fuerzas de atracción entre dipolos. - La fórmula química de este tipo de compuestos indica exactamente los átomos unidos en la molécula. - Ejemplos de este tipo de sustancias son el agua y el dióxido de carbono. - Se trata de una gran molécula (macromolécula) en la que todos los átomos están unidos por fuertes enlaces covalentes. - Forman redes cristalinas con los átomos perfectamente ordenados. - Ejemplos de este tipo de sustancias son el Diamante y el Cuarzo 13.- Unión extramolecular de las sustancias moleculares. - De todos es sabido que el enlace covalente es el más fuerte que se conoce, sin embargo, sus moléculas se unen por débiles fuerzas de atracción entre dipolos llamadas fuerzas de Van der Waals. - Este es el motivo por el que al hervir agua no obtenemos hidrógeno ni oxígeno sino vapor de agua, ya que no se rompe el enlace covalente que unen los átomos sino las débiles fuerzas de Van der Waals que unen las moléculas. 11
14.- Propiedades de las sustancias moleculares: Propiedad Justificación - A temperatura ambiente la Debido a que, aunque los átomos están muy fuertemente unidos por enlaces covalentes, las moléculas se unen muy débil- mayoría son gases (aunque también las hay líquidas e incluso sólidas. Van der Waals. mente por atracción entre dipolos por las llamadas fuerzas de - Puntos de fusión y ebullición Debido a las débiles fuerzas de Van der Waals de atracción entre dipolos. bajos. - No conducen la electricidad Ya que los electrones están localizados entre los dos átomos en ningún estado. tratando de unirlos, por lo que al no poseer movilidad no pueden conducir la electricidad. - Se disuelven en disolventes Hay una premisa química que dice que lo similar disuelve a lo apolares (como benceno) pero no en polares (como el a las sustancias covalentes similar, es decir, los disolventes apolares (sin dipolos) disuelven agua). 15.- Propiedades de las sustancias covalentes: Propiedad - A temperatura ambiente todas son sólidas. - Puntos de fusión y ebullición altísimos. - No conducen la electricidad en ningún estado. Justificación Todos sus átomos están unidos por fuertes enlaces covalentes Todos sus átomos están unidos por fuertes enlaces covalentes y hay que elevar mucho la temperatura para poder romperlos. Ya que los electrones están localizados entre los dos átomos tratando de unirlos, por lo que al no poseer movilidad por el sólido, no pueden conducir la electricidad. - Son prácticamente insolubles Necesitan disolventes vigorosos que reaccionen químicamente con ellas para poder disolverse - Son muy duras Debido a la fuerte unión de sus átomos por fuertes enlaces covalentes. - Estructura del carbono diamante 12
16.- Características del enlace metálico: - Es la unión de dos elementos metálicos. - Los átomos de los metales pierden sus electrones de valencia formando cationes. - Los electrones de valencia perdidos estás deslocalizados por todo el sólido tratando de unir a los cationes. 17.- Propiedades de las sustancias metálicas: Propiedad - A temperatura ambiente todos son sólidos excepto el mercurio, el Cesio y el Francio. - Puntos de fusión y ebullición altos. - Conducen la electricidad en cualquier estado. - Sólo se disuelven en ácidos fuertes. - Suelen ser duros aunque la dureza es variable. - Se pueden moldear. Son dúctiles y maleables (es decir se pueden hacer hilos y láminas con ellos). Justificación Ya que los cationes están muy fuertemente unidos en la red cristalina por grandes fuerzas de atracción con la nube electrónica que los rodea. Ya que los cationes están muy fuertemente unidos en la red cristalina por grandes fuerzas de atracción con la nube electrónica que los rodea. Ya que los electrones que rodean a los cationes metálicos poseen total libertad y por lo tanto pueden conducir la corriente eléctrica. Ya que necesitan disolventes vigorosos para romper las grandes fuerzas de atracción entre los cationes de la red cristalina y la nube electrónica. A medida que cada átomo metálico libere más cantidad de electrones, la dureza será mayor. Ya que leves movimientos de los cationes no rompen la estructura cristalina de la red y las fuerzas de atracción se mantienen siempre y cuando la separación entre los cationes no sea muy grande. +++++++++ ++++++++++ +++++++++ ++++++++++ +++++++++ ++++++++++ fuerzas de atracción fuerzas de atracción 13
18.- Ejercicios: 1.- Viendo la posición que ocupan los elementos marcados en el sistema periódico, halla su configuración electrónica de última capa e indica a qué grupo pertenecen: He Ne (1) Ar (2) Kr (3) Xe (4) Rn 2.- La especie X tiene de número atómico 53 y de número másico 138 y 54 electrones. a) Indica todas las partículas que posee. b) Identifica dicha especie y representa su símbolo Será un anión, un catión o un elemento neutro? b) Halla su configuración electrónica. c) Indica a qué grupo del Sistema periódico pertenecerá. 3.- Halla la configuración electrónica y la estructura de Lewis de los pares de elementos que aparecen en los siguientes apartados. Indica a qué grupo pertenecen cada uno de ellos, si serán metales o no metales el nº de electrones que tienden a ganar o perder, el tipo de enlace que unirá a ambos, la fórmula química más probable del compuesto que formarán y sus propiedades físicas. a) Cloro y Magnesio. b) Hidrógeno y cloro. c) Hidrógeno y oxígeno. d) Aluminio y oxígeno. 4.- Dos elementos X e Y de número atómico 8 y 12 respectivamente indica: a) Si serán metales o no metales cada uno de ellos. b) El tipo de ión que formarán cada uno de ellos. c) El grupo al que pertenece cada uno. Identifica los elementos d) El tipo de enlace que formarán ambos indicando la fórmula química del compuesto y su nombre. e) Las propiedades físicas del compuesto que forman ambos. 6.- Clasifica como iónico molecular, covalente o metálico o justificando la respuesta: a) sólido que funde por debajo de los 100 ºC dando un líquido no conductor de la electricidad. b) Un sólido que conduce la corriente eléctrica. c) Un sólido no conductor de la electricidad que si lo es cuando funde. d) Un sólido aislante muy duro. 14