TEMA 6 ENLLAÇ QUÍMIC 1. Introducció En la taula periòdica tant sols tenim catalogats uns 118 elements, no obstant, coneixem que en la naturalesa es troben moltes més substàncies que aquests. Aquest fet és degut a que els àtoms poden reaccionar entre ells per a formar substàncies denominades compostos, que són química i físicament diferents als seus àtoms originaris. Però... - Per què s uneixen els àtoms entre sí? - Tots poden unir-se entre sí? - Com s uneixen? - Per què l aigua és líquida, les roques són sòlides i l oxigen és un gas? Totes les respostes a aquestes preguntes les anirem responent al llarg del present tema. L enllaç químic Quan dos o més àtoms s apropen, s originen forces atractives i forces repulsives que actuen a curta distància i poder arribar a ser molt intenses. Si l agrupació d àtoms units té menys energia que el sistema original format pels mateixos àtoms separats, es produiràun enllaç entre ells. Els enllaços químics són les diferents forces que mantenen establement units dos o més àtoms en un compost. Mols elements de la taula periòdica volen unir-se entre ells perquè d aquesta manera adquireixen una situació més estable energèticamentde la que inicialment tenien. Aquesta situació de major estabilitat se sol donar quan el nombre d electrons que posseeixen els àtoms en el seu darrer nivell electrònic és de vuit, estructura que coincideix amb la dels gasos nobles (ns 2 np 6 ) i que és extremadament estable. Aquest principi rep el nom de regla de l octet, i encara que no sigui general per a tots els àtoms, és útil en la majoria dels casos. Les propietats dels compostos dependran en gran mesura dels elements que s hagen combinat per formar-los i dels enllaços emprats. Existeixen tres tipus principals d enllaços químics: iònic, covalent i metàl lic. Exercicis 1. Indica quina estructura de gas noble tenen tendència a adquirir els següents àtoms: Cl (Z= 17) i Ca (Z=20) 1
2. Què tenen en comú les estructures electròniques de 9 F -, 10 Ne, 11 Na +? Extrau una conclusió. 2.Enllaç iònic El químic alemany Walther Kossel (1888-1956) va proposar aquest tipus d enllaç en 1916, després d observar el canvi brusc de propietats entre els elements que es troben abans i darrere dels gasos nobles en la taula periòdica. Va observar que en les seves reaccions químiques ocorre una pèrdua i un guany d electrons per part dels àtoms fins que aconsegueixen tindre la darrera capa completa, i per aquest fet aquests adquireixen la configuració electrònica d un gas noble.sens dubte, Kossel es referia a l enllaç iònic. L enllaç iònic s origina per la transferència d electrons entre un àtom metàl lic (els de l esquerra de la taula periòdica amb baixa electronegativitat) amb un àtom no metàl lic (els de la dreta de la taula periòdica amb elevada electronegativitat). D aquesta manera es formen elements amb diferent càrrega (cations i anions)que s atrauen elèctricament entre sí per la Llei de Coulomb. Recorda que: Anió: és un ió amb una càrrega elèctrica negativa; l àtom en estat neutre ha guanyat electrons. Catió: és un ió amb una càrrega elèctrica positiva;l àtom en estat neutre ha perdut electrons. Exemple Estudiarem, pas a pas, la formació d un enllaç iònic entre el sodi i el clor (NaCl) 1. El Na és un metall alcalí amb una configuració electrònica 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 2. El Cl és un no metall halogen amb una configuració electrònica 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 3. El darrer electró de l element més electropositiu (Na) abandona l àtom i passa a formar part del núvol electrònic del més electronegatiu (Cl) 4. Es formen dos ions de càrregues contràries: Na + i Cl - 5. La diferència entre les càrregues dels ions provoca una força d interacció que manté els àtoms units. Exercicis: 2
Estudiarem, pas a pas, la formació d un enllaç iònic entre el calci i el clor (CaCl 2 ) 1. El Ca és un metall alcalinoterri amb una configuració electrònica 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 2. El Cl és un no metall halogen amb una configuració electrònica 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 3. El calci cedeix els seus dos electrons del nivell més extern, mentre que el fluor rep en el seu nivell extern un electró 4. Es formen tres ions de càrregues contràries: Ca 2+ i 2 Cl - 5. L enllaç es produeix per la cessió dels dos electrons del Ca al Cl. El calci cedeix dos electrons i el fluor sols en rep un, per tant, caldran dos ions Cl - per cada ió Ca 2+. El catió i els anions queden units a causa de les forces electrostàtiques que hi apareixen. En realitat aquest procés es realitza simultàniament en milions d àtoms amb el resultat de que es formen milions d ions positius i negatius que s atrauen mútuament formant una estructura integrada per un número molt elevat d ions disposats de manera molt ordenada. S anomena xarxa cristal lina. D entre els nombrosos compostos iònics que existeixen podem destacar: - Sals binàries: NaCl, CaCl 2, KBr, CuBr 2 - Sals ternàries: KClO 3, NaNO 3, Na 2 SO 4 - Alguns òxids i hidròxids: CaO, Na 2 O, NaOH, Cu(OH) 2 Les propietats de les substàncies iòniques són les següents: - Són sòlids a temperatura ambient i tenen punts de fusió molt elevats - En estat sòlid els àtoms es disposen formant xarxes cristal lines - Són molt durs i al mateix temps són fràgils - Són solubles en aigua i insolubles en dissolvents orgànics - Condueixen el corrent elèctric únicament quan estan dissolts o fosos Exercicis 3. Indica els electrons externs que deuen tindre els següents elements, i quins creus que podrien actuar com a cations i quins com a anions: Li, N, F, Sr i Zn. 3
4. Indica la càrrega esperada per als ions que componen les següents substàncies basant-te en el grup al que pertanyen i les seues característiques com a metalls o no metalls: KBr, CaCl 2, MgS, AlI 3 i BaO. 5. Explica la frase: la fórmula NaBr no expressa una unitat molecular, sinó que la proporció de brom a sodi en el compost és 1:1. 6. L oxigen no pot formar enllaç iònic amb el sofre, però sí amb el potassi. Per què? a. Explica com es forma aquest enllaç b. Quina fórmula té el compost resultant? c. Quin és el significat d aquesta fórmula? 3.Enllaç covalent Dos nord-americans van ser els primers en proposar aquest tipus d unió. En 1916G.N. Lewis (1875-1946) va establir la teoria de l enllaç químic per compartició de parells d electrons; i en paral lel a ell, Irving Langmuir (1881-1957),va ser qui va introduir el concepte d enllaç covalent o unió per electrons aparellats o compartits. L enllaç covalent es produeix en combinar-se elements no metàl lics, units entre sí o amb l hidrogen. Aquests àtoms comparteixen un, dos o tres parells dels seus electrons externs per aconseguir l estabilitat. L aconsegueixen quan tenen huit electrons en la seva darrera capa (entre els seus i els compartits), excepte en el cas de l hidrogen, que sols li basta en dos electrons. Per representar les substàncies que estan unides per aquest tipus d enllaç s usen els Diagrames de Lewis. En aquests, els símbols dels elements estan rodejats per punts o xicotetes creus que corresponen al número d electrons presents en la capa més externa, la denominada capa de valència. Cada parell d electrons compartit és un enllaç covalent, i es representa mitjançant una ratlla. Segons el nombre de parells d electrons compartits, l enllaç serà simple doble o triple. Enllaç simple, molècula d H 2 Cada àtom d hidrogen té un únic electró en la capa de valència (1s 1 ). En compartir el seu electró, ambdós adquireixen l estructura de l heli, 1s 2. 4
Enllaç simple, molècula d HCl L estructura electrònica del Cl és 1s 2 2s 2 2p 5. Comparteix un electró i adquireix l estructura del Ne, 1s 2 2s 2 2p 6. Enllaç simple, molècula d H 2 O L estructura electrònica de l H és 1s 1 i la de l O és 1s 2 2s 2 2p 4. A l hidrogen tant sols li fa falta compartir un electró per tindre la darrera capa completa, mentre que l oxigen en necessita dos. Enllaç doble, molècula d O 2 L estructura electrònica de l O és 1s 2 2s 2 2p 4. Té sis electrons en la seva capa de valència i, necessita dos més per completar l octet i adquirir l estructura del neó. Enllaç triple, molècula de N 2 L estructura electrònica del N és 1s 2 2s 2 2p 5. Compartint 3 electrons compliria la regla de l octet i adquiriria l estructura del gas noble més proper a ell, el neó. Les substàncies amb enllaços covalents es poden classificar en dos tipus: substàncies moleculars i substàncies o cristalls atòmics. o Substàncies moleculars. Un número concret d àtoms s agrupen formant molècules.les forces que mantenen units els àtoms de cada molècula (intramoleculars) són molt fortes en comparació amb les 5
forces que es donen entre les molècules veïnes (intermoleculars). Per aquest fet, a temperatura ambient, la majoria són gasos (O 2, N 2, H 2, NH 3 ) o líquids (H 2 0, Br 2 ). No obstant, hi ha casos on les forces intermoleculars donen lloc a sòlids amb baixos punts de fusió (I 2 ). Recorda que: Molècula: formada per la unió d un nombre limitat d àtoms, és la unitat material més petita que serveix per a identificar a les substàncies covalents Les seves principals propietats són: - En condicions normals de pressió i temperatura poden ser sòlids, líquids o gasos. - Tenen punts de fusió i d ebullició baixos. - Són solubles en dissolvents orgànics i insolubles en aigua. - No condueixen el corrent elèctric o Substàncies o cristalls atòmics. Un número indefinit d àtoms estan units formant una xarxa cristal lina que s estén en les tres direccions de l espai. El carboni en les seves varietats diamant i grafit, diòxid de silici (SiO 2 ), carbur de silici (SiC) són alguns exemples d aquests tipus de substàncies. Les seves principals propietats són: - Són sòlids a temperatura i pressions ambientals. - Tenen punts de fusió molt elevats - Són molt durs excepte el grafit. El diamant és la substància més dura. - Són insolubles en tot tipus de dissolvents. - Excepte el grafit, cap substància condueix l electricitat. Exercicis 7. Corregeix si és necessari aquest símbols de Lewis 8. Dibuixa i explica el diagrama de Lewis per a les següents molècules: CH 4 i Cl 2. 9. Classifica les següents substàncies en cristalls covalents o substàncies moleculars: robí, nitrogen, topazi, iode, sucre 6
4.Enllaç metàl lic Si observem la taula periòdica dels elements, ens donem compte de la gran importància dels metalls. Aproximadament 80 dels més de 100 elements coneguts tenen característiques que s atribueixen a l estat metàl lic. Entre aquests elements es troben els metalls alcalins, alcalinoterris, els de transició, lantànids i actínids, l alumini, el gal li, l indi... Els metalls tenen unes propietats i una estructura que s explica mitjançant una interacció denominada enllaç metàl lic. El model actual que l explica, deriva d un senzill que va proposar en 1900 l alemany Paul Drude (1863-1906), anomenat la teoria de l electró lliure o del núvol d electrons. L enllaç metàl lic es produeix a l unir-se entre sí els àtoms dels elements metàl lics. Cada àtom es desprèn dels seus electrons de valènciai formen ions positius que s agrupende manera molt compacta uns amb altres, produint estructures cristal lines. Al voltant dels cations es troben tots els seus electrons de valència, que es desplacen lliurement pels buits de l estructura formant el núvol electrònic. Quasi tots els metalls es troben en la natura formant compostos (òxids, clorurs, sulfurs, silicats...), de manera que deuen ser sotmesos a un procés d obtenció. Sols quatre (or, argent, coure i platí) es troben lliures (metalls natius). Els compostos metàl lics tenen les següents propietats: - Són sòlids a temperatura ambient, excepte el mercuri que es troba en estat líquid. - En general tenen punts de fusió elevats. - Són dúctils i mal leables. - Són bons conductors tant de la calor com de l electricitat. - Posseeixen lluentor metàl lica. - Són insolubles en qualsevol dissolvent, però es poden barrejar entre ells formant aliatges. Exercicis 10. Comenta si l afirmació següent és vertadera o falsa i raona la resposta. Tots els metalls són sòlids a temperatura ambient. 11. Justifica el fet de que, en general, la resistència elèctrica d un conductor metàl lic augmenta amb la temperatura. 7
12. Els àtoms dels metalls es disposen en l espai de manera molt ordenada i compacta. Què pot predir-se de la seva densitat? 13. El bronze i el llautó són dos aliatges que s usen molt en la fabricació de diversos objectes. Per quins metalls estan formats? 5.Forces intermoleculars Com hem estat veient al llarg del tema, dintre d una molècula, els àtoms estan units mitjançant forces intramoleculars (enllaços iònics, covalents o metàl lics). Aquestes són les forces que es deuen vèncer per a que es produeixi un canvi químic, per tant, són les forces que determinen les propietats químiques de les substàncies. En canvi, existeixes altres forces intermoleculars que actuen sobre distintes molècules o ions i que fan que aquestes s atreguin o es repel leixin. Estes forces són les que determinen les propietats físiques de les substàncies com, per exemple, l estat d agregació, el punt de fusió i d ebullició, la solubilitat... Pel general són forces més febles que els enllaços iònics, covalents i metàl lics, però, al ser molt nombroses, la seva contribució és important. Les principals forces intermoleculars són: forces de Van der Waals i l enllaç d hidrogen. o Forces de Van der Waals Són forces intermoleculars febles de naturalesa electrostàtica que s estableixen entre molècules elèctricament neutres, però són molt nombroses i tenen un paper fonamental en molts processos biològics. La seva intensitat augmenta amb la grandària de la molècula. Dipol Dipol Una molècula és un dipol quan existeix una distribució asimètrica dels electrons degut a que la molècula està formada per àtoms de diferent electronegativitat. Com a conseqüència, els electrons es troben preferentment en les proximitats de l àtom més 8
electronegatiu. Es creen d aquesta manera dos regions en la molècula, una amb càrrega parcial negativa i altra amb càrrega parcial positiva. Distorsió del núvol electrònic en la molècula del clorur d hidrogen. Com el Cl és mes electronegatiu que l H, atrau als electrons compartits amb més força cap al seu nucli, formant un dipol permanent. Quan dos molècules polars s aproximen, es produeix una atracció entre el pol positiu d una d elles i el negatiu de l altra. Aquesta força és més intensa quan més gran sigui la diferència d electronegativitat entre els àtoms enllaçats. Interacció entre els dipols elèctrics de les molècules del clorur d hidrogen. Dipol Dipol induït Tenen lloc entre una molècula polar i una molècula apolar. En aquest cas, la càrrega de la molècula polar provoca una distorsió en el núvol electrònic de la molècula apolar i la converteix, de manera transitòria en un dipol. En aquest moment s estableix una força d atracció entre elles. Dipol instantani Dipol induït També anomenades forces de dispersió o forces de London. S estableixen fonamentalment entre substàncies no polars. Es deuen a les irregularitats que es produeixen en el núvol electrònic dels àtoms de les molècules per efecte de la proximitat mútua. La formació d un dipol instantani en una molècula origina la formació 9
d un dipol induït en una molècula veïna de manera que s origina una força feble d atracció entre les dos. o Enllaç d hidrogen És una atracció intermolecular que existeix entre un àtom d hidrogen i altres petits i molt electronegatius com O, N o F. És una força de major intensitat que les de Van der Waals, la qual cosa fa que les substàncies que el posseeixin tinguin punts de fusió i ebullició més elevats. Per exemple, si comparem l H 2 0 amb H 2 S, tindríem que pensar que tenen punts de fusió i d ebullició semblants, ja que són dos hidrurs de la família dels amfígens. Però això no és així. L aigua es troba en estat líquid i l àcid sulfhídric es troba com un gas. L explicació és que en l aigua les molècules estan atretes entre sí per enllaços d hidrogen mentre que en l H 2 S no es troben estes forces intermoleculars. 10
Enllaç d hidrogen en la molècula d H 2 O Exercicis 14.El iode, I 2, té un punt de fusió més alt que el brom, Br 2. Explica n el motiu basant-te en els enllaços presents en aquestes dues substàncies. 15.En el procés de fusió del gel: a. Quins enllaços es trenquen? b. I si volem obtenir àtoms d hidrogen i d oxigen, quins enllaços s han de trencar? c. Quin procés dels dos anteriors consumeix més energia? Per què? 6. Exercicis finals 16.Per què creus que els gasos nobles es presenten com àtoms i no s enllacen uns amb altres? 17. Completa la següent taula referida al segon període: Grup 1 2 13 14 15 16 17 18 Element Símbol Li Be B C N O F Ne Electrons externs Caràcter 18. Assenyala la diferència entre valència iònica i valència covalent. 19. Proposa algunes experiències senzilles per a deduir si una substància és iònica o no. 20.Indica quants electrons de valència té l àtom de calci (Z=20) i dedueix quin ió pot formar. 21. Justifica si la frase següent és correcta: La molècula de fluorur de magnesi està formada per dos àtoms de fluor i un àtom de magnesi. 11
22. El clorur de potassi, KCl, és una substància iònica. Indica quines propietats és probable que tingui. 23.Descriu les etapes de formació del compost iònic MgBr 2. 24.Explica el procés de formació de l enllaç iònic en el clorur d alumini, AlCl 3. a. Escriu les configuracions electròniques de l alumini i del clor. b. Escriu les equacions d ionització d aquests dos elements. c. Representa els esquemes corresponents. d. Indica la valència iònica dels dos elements. e. Raona per què la fórmula del compost és AlCl 3, i no pas Al 2 Cl o AlCl, per exemple 25. Escriu la configuració electrònica de l oxigen (Z=8) i raona quina és la seva valència covalent. 26. Representa i interpreta l estructura de Lewis de la molècula diatòmica del fluor (Z=9). 27.Representa les estructures de Lewis de les següents substàncies: PH 3, SiO 2, SiH 4, C 2 H 4. 28.Analitza els següents símbols de Lewis sabent que A no és hidrogen. a. A quin grup de la taula periòdica pertanyen? b. De quins elements possibles es tracta? c. Descriu els enllaços A-B i B-B 29. La molècula de la figura està formada per els elements següents: 1 2 3 A (blau) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 B (roig) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 a. De quins elements es tracta? Escriu la seva estructura de Lewis b. Quines de les següents afirmacions poden ser veritat i quines impossibles? i. La substància és el sulfur de clor (II). ii. El seu punt d ebullició és 59 o C. 12
iii. La distància interatòmica Cl-S és de 0.002mm. iv. No és conductor en estat sòlid, però sí fos o dissolt. 30. Quin tipus de forces intermoleculars hi ha entre les molècules de les següents substàncies? H 2, HBr, NH 3 31.Per què l hidrur de seleni té un a major temperatura d ebullició que l hidrur de sofre, i ambdós temperatures són menors que la de l aigua? 32. En la següent taula es mostren les temperatures d ebullició dels hidrurs dels halògens. a. Quin tipus d interacció existeix entre les molècules d aquests? b. A què es deu que el HF tingui una temperatura d ebullició molt superior al de la resta d hidrurs de la taula? Compost químic Tª d ebullició ( o C) HF 19.4 HCl -83.7 HBr -67.0 HI -35.5 33.La molècula de diòxid de sofre té un moment dipolar diferent de zero. Això suposa afirmar que: a. La molècula no és lineal b. Els seus enllaços tenen caràcter polar c. La molècula és lineal Justifica la resposta 34. Raona si les afirmacions següents són vertaderes o falses. a. Els electrons del nivell més extern són els que intervenen en la formació dels enllaços. b. Els gasos nobles no s uneixen a altres àtoms perquè la seva configuració electrònica és molt estable. c. La solubilitat d una substància no depèn de la naturalesa dels seus enllaços. d. En una xarxa cristal lina iònica hi ha tants ions positius com negatius. e. En l enllaç covalent es comparteixen un o més electrons. 13
35. Classifica les següents substàncies segons el tipus d enllaç que presenten: KCl, CO, Ag, CuI 2, SiO 2 i NH 3. 36. Indica el tipus d enllaç esperat per a una substància que: a. Quan es dissol condueix la corrent elèctrica. b. No es pot dissoldre en aigua ni condueix la corrent elèctrica. c. No es dissol en aigua, però condueix la corrent elèctrica. 37. A partir de les seves propietats, classifica les següents substàncies com a molècules o xarxes: gel, ferro, aigua, oli, oxigen i vidre. 38. A la vista de l expressat en la taula adjunta, indica el tipus d enllaç que presenten les substàncies A, B i C. Substància Punt de fusió Solubilitat en aigua Conductivitat Duresa A Alt Sí Sols dissolta Alta B Baix No No Baixa C Alt No No Alta 39. Indica dues substàncies que tinguin aquestes propietats: a. Punts de fusió i d ebullició molt baixos. b. Condueixen el corrent elèctric en estat sòlid. c. Poc solubles en aigua. d. Densitat elevada. e. Sòlids a temperatura ambient. f. Condueixen el corrent elèctric. 40. Dedueix raonadament quin tipus d enllaç químic existeix en les substàncies següents: a. Bromur de sodi, NaBr. b. Diòxid de sofre, SO 2. c. Iode, I 2. d. Níquel, Ni 41. Completa assenyalant sí o no, les propietats que caben esperar de les següents substàncies. Substància Sòlid a temperatura ambient Soluble en aigua Conductor en estat fos 14
Hg KCl SiO 2 O 2 42. La següent taula recull algunes propietats d una substància iònica i un altra metàl lica: Substànci a T.F.( o C) Densita t (kg/m3) Solubilitat en aigua (g/l) Condueix l electricitat Sòlid Líquid A 1494 8800 Nul la B 620 3390 766 a. Quina propietat permet distingir una de l altra? Completa la taula. b. Les substàncies CuCl 2 i Cu compleixen les condicions assignades a A i B. Quina és cadascuna? Descriu les etapes de formació de l enllaç per a CuCl 2 43. Classifica les següents substàncies en sòlids covalents moleculars, xarxes cristal lines iòniques, xarxes covalents o xarxes metàl liques: gel, cera, diamant, sal, coure, grafit. Completa en el teu quadern les següents afirmacions sobre les propietats previsibles per a dites substàncies. a. L estructura més dura és b. Condueix la corrent en estat sòlid la xarxa c. La fragilitat és una propietat de la xarxa d. Les xarxes tenen baix punt de fusió. e. La xarxa de la sal comú és conductora, però sols 44. Cert element X té esta estructura electrònica. X 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 a. Quin és el seu nombre atòmic? Quina estructura electrònica tindran els ions X + i X -? Quin serà més estable? b. Quin tipus d enllaç formarà en l element 17 Y? Quina és l estructura electrònica de Y? Quin tipus d ions forma? c. Descriu el tipus de substància que formaran X i Y i prediu les seves propietats. 15
d. Descriu el tipus de substància que formarà X amb X i prediu les seves propietats. e. Descriu el tipus de substància que formarà Y en Y i prediu les seves propietats. 45. La següent taula recull característiques de les substàncies A, B i C. Substànci a T.F.( o C) Densita t (kg/m3) Solubilitat en aigua (g/l) Condueix l electricitat Sòlid Líquid A 650 1740 Nul la Sí Sí B -101 3.2 7.2 No No C 714 2320 542 No Sí a. Descriu les propietats de les tres substàncies i identifica el tipus d enllaç de cadascuna. b. Les substàncies MgCl 2, Mg, Cl 2 compleixen les condicions estipulades per a A, B i C. Quina és cadascuna? c. Fes el diagrama de Lewis del Cl 2. d. Descriu les etapes de formació de l enllaç del MgCl 2. e. Quin volum ocuparà una maquineta de fer punta de magnesi de 12 g de massa? 16