sábado, 15 de septiembre de 2012

UNIDAD 2, EQUIPO 2 ENLACES QUIMICOS Y ESTADO SOLIDO CRISTALINO

 
 
Enlaces químicos y estado sólido cristalino
 
Enlace químico
Las primeras especulaciones respecto a la naturaleza del enlace químico comenzaron en el siglo XII. Se suponía que ciertos tipos de especies químicas estaban unidas entre sí por un tipo de afinidad química, posteriormente En 1704, Isaac Newton expuso su teoría de enlace atómico, donde los átomos se unen unos a otros por alguna "fuerza" entonces  Newton concluyo que lo que inferiría posteriormente a partir de su cohesión  es que: Las partículas se atraen unas a otras por alguna fuerza, que en contacto inmediato es excesivamente grande, a distancias pequeñas desempeñan operaciones químicas y su efecto deja de sentirse no lejos de las partículas. En 1819, con la invención de la pila voltaica se desarrolló una teoría de combinación química, introduciendo indirectamente el carácter electropositivo y electronegativo de los átomos cambiantes que tiempo después se amplió y descubrió la teoría de radicales, desarrollando la teoría de valencia, originalmente llamado "poder combinante" en que los compuestos se mantenía unidos debido a la atracción entre polos positivo y negativo. En 1916, el químico Gilbert N. Lewis desarrolló el concepto de enlace de par de electrones, en el que dos átomos pueden compartir uno y seis electrones, formando el enlace de un solo electrón y finalmente en 1927, el físico danés Oyvind Burrau derivó la primera descripción cuántica matemáticamente completa de un enlace químico simple, este trabajo mostró que la aproximación cuántica a los enlaces químicos podrían ser correctas fundamental y cualitativamente, pero los métodos matemáticos usados no podrían extenderse a moléculas que contuvieran más de un electrón.
Un enlace químico es el proceso químico responsable de las interacciones atractivas entre átomos y moléculas, y que confiere estabilidad a los compuestos químicos diatónicos y poliatómicos. ). El enlace químico está asociado con la compartición o transferencia de electrones entre  los átomos participantes. Las moléculas, cristales, y gases diatómicos -o sea la mayor parte del ambiente físico que nos rodea- está unido por enlaces químicos, que determinan las propiedades físicas y químicas de la materia.
 
Clasificación de enlaces químicos
Los elementos químicos se combinan de diferentes maneras para formar toda una variedad de compuestos inorgánicos y orgánicos. Hay compuestos gaseosos, líquidos y sólidos, los hay tóxicos e inocuos, mientras que otros son altamente benéficos para la salud. Las propiedades de cada compuesto dependen del tipo de elemento químico que lo forman, el modo cómo se enlazan (tipo de enlace químico), la forma y geometría de los agregados atómicos (moléculas) y de cómo estos interactúan entre sí.
Enlace covalente
El enlace covalente se debe a la compartición de  electrones,  que experimentan simultáneamente atracciones de aproximadamente la misma magnitud, por dos o más átomos, la  cual rebaja la energía y  hace, por  consiguiente, que el  sistema resultante sea más estable que los átomos por separado. Toda teoría del  enlace covalente  debe  ser capaz de explicar tres  aspectos fundamentales del mismo:
  • Las proporciones en que los  átomos  entran a formar parte de la  molécula y el número total de átomos de ésta.
  • La geometría de la molécula.
  • La energía de la molécula.
Sólo mediante teorías cuánticas es posible abordar de manera satisfactoria el  estudio del enlace covalente, porque la disminución de energía  por formación  del  mismo es  debida fundamentalmente a que es imposible localizar un cierto electrón en un determinado sitio, lo que origina el  concepto de  compartición de electrones. Las atracciones electrostáticas también intervienen en el enlace, pero en mucha menor medida.
Enlace molecular
Son aquellas sustancias que presentan enlaces covalentes, pero que en lugar de formar macromoléculas, forman moléculas discretas, como es el caso del agua, del carbono y del amoniaco.
Las propiedades que presentan este tipo de moléculas son: Son, fundamentalmente, líquidos y gases. Tienen puntos de fusión y ebullición bajos. No conducen la electricidad y son insolubles en agua.
 
Enlace iónico
Las sustancias iónicas son sustancias que presentan enlaces iónicos y forman grandes redes cristalinas. Los enlaces iónicos se producen cuando en un enlace covalente, la diferencia de electronegatividad entre un átomo y otro es muy grande y suponemos que el par de electrones de enlace está en el átomo más electronegativo. De tal forma que se producen iones positivos y negativos. Este tipo de enlace se da fundamentalmente entre metales y no metales. Estas sustancias son, por ejemplo, el bicarbonato de sodio, el cloruro de potasio y el trisulfuro de aluminio II.
Las propiedades que se dan en este tipo de sustancias son: Sólidos cristalinos, puntos de fusión y ebullición elevados, solubles en agua, Conducen la electricidad fundidos o en disolución, pero no conducen la electricidad en estado sólido.
Enlace Metálico
Son aquellas que presentan un solo elemento, que forman grandes redes metálicas, donde los electrones de la capa de valencia están des localizados moviéndose por todo la sustancia, de esta forma, una nube de electrones recubre la sustancia y le da ese característico brillo metálico. Algunas de estas sustancias son el hierro, el sodio y el potasio.
Las propiedades de estas sustancias son: Sólidos, dureza variada, puntos de fusión y ebullición también muy variados, insolubles en agua y característico brillo metálico.
Símbolos Lewis, regla del octeto
La regla del octeto, enunciada en 1917 por Gilbert Newton Lewis, dice que la tendencia de los iones de los elementos del sistema periódico es completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de 8 electrones de tal forma que adquiere una configuración muy estable, esta configuración es semejante a la de un gas noble, los cuales son elementos electroquímicamente estables, ya que cumplen con esta estructura, son inertes, es decir que es muy difícil que reaccionen con algún otro elemento.
La estructura de Lewis de un elemento se escribe conociendo los electrones de valencia, por ejemplo el sodio (1 electrón) , el Bario (2 electrones) , el hidrógeno (1 electrón) y el Aluminio (3 electrones).  Algunos metales como el Na y el hidrógeno, tienen una sola estructura de Lewis. Mientras que los metales que tienen más de un electrón pueden tener varias estructuras de Lewis. La representación de Lewis de los metales anteriores dependerá del no-metal con el que sé esta combinando, por ejemplo el Ba tiene una estructura de Lewis al combinarse con el cloro y otra diferente cuando se encuentra con el azufre.
 


Algo similar ocurre con los no metales que tienen menos de 7 electrones, tal es el caso del azufre que presenta diferentes estructuras cuando se encuentra con el sodio o con el bario. La formación de un compuesto (La estructura de Lewis de un compuesto) se forma considerando las siguientes características:

1. Un átomo se une a otro por uno de los lados de la estructura (debe haber dos electrones compartidos entre los átomos unidos), ya sea que cada átomo aporte un electrón " enlace covalente simple" o que uno de los átomos aporte los dos electrones "enlace covalente coordinado".

2. Se ocuparan tantos átomos como sean necesarios para aparear todos los electrones, no puede haber ningún electrón libre. En caso de ser metal debe de enlazar todos sus electrones y el no-metal debe de completar el octeto (los ocho electrones).

3. La formación de la estructura de la molécula equivale a embonar los átomos individuales, sin dejar electrones libres. .

Es importante saber, que la regla del octeto es una regla práctica aproximada que presenta numerosas excepciones, pero que sirve para predecir el comportamiento de muchas sustancias.
Para alcanzar la estabilidad sugerida por la regla del octeto, cada elemento precisa ganar o perder (compartir) electrones en los enlaces químicos, de esa forma ellos adquieren ocho electrones en la capa de valencia.

 
Enlace iónico
Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos se encuentran con átomos no metálicos, en este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal, transformándose en iones positivos y negativos, respectivamente. Al formarse iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas las llamamos enlaces iónicos.
Ejemplo: La sal común se forma cuando los átomos del gas cloro se ponen en contacto con los átomos del metal sodio. En la siguiente simulación interactiva están representados los átomos de sodio y cloro con solo sus capas externas de electrones.
Características:
·         Son sólidos de estructura cristalina en el sistema cúbico.
·         Altos puntos de fusión (entre 300 °C o 1000 °C)2 y ebullición.
·         Son enlaces resultantes de la interacción entre los metales de los grupos I y II y los no metales de los grupos VI y VII.
·         Son solubles en agua y otras disoluciones acuosas.
·         Una vez en solución acuosa, son excelentes conductores de electricidad.
·         Fácilmente conducen electricidad.
·         Al nombrar compuestos iónicos simples, el metal siempre viene primero, el no metal segundo (por ejemplo, el cloruro de sodio)
 
Elementos que forman compuestos iónicos
En los enlaces iónicos, los electrones se transfieren completamente de un átomo a otro. Durante este proceso de perder o ganar electrones cargados negativamente, los átomos que reaccionan forman iones. Lo iones cargados de manera opuesta se atraen entre ellos a través de fuerzas electroestáticas que son la base del enlace iónico.
 
 
Cuando el sodio pierde su electrón de valencia, se hace más pequeño, mientras que el cloro se hace más grande cuando gana una valencia de electrón adicional. Esto es típico de los tamaños relativos de iones a átomos. Después que la reacción tiene lugar, los iones cargado Na+  y Cl- se sujetan gracias a las fuerzas electroestáticas, formando así un enlace iónico. Los compuestos iónicos  comparten muchas características en común.
Generalmente, un elemento alcalino o del Grupo I A  ( Li, Na, K, Rb, Cs, Fr )  y  un  elemento halógeno o del Grupo VII A  ( F, Cl, Br, I ) , formarán cristales iónicos. Algunos de los compuestos que mantienen enlaces iónicos se encuentran  NaCl, LiF, KBr, NaF, KI, CaO, MgO, BeO, MgS, BaS, RbSe. (Como se puede observar el enlace se da entre un metal y un no metal).
Propiedades físicas de compuestos iónicos      
El enlace iónico como ya se mencionó anteriormente consiste en la unión de iones con cargas de signo contrario, mediante fuerzas de tipo electrostático, formando grandes cristales de iones positivos y negativos, llamados cristales iónicos.  No se debe confundir con el enlace covalente que es cuando todos los átomos que constituyen la molécula comparten sus electrones de tal manera que cada uno presenta ocho electrones en su última órbita como los gases nobles, cumpliendo de esta manera la regla del octeto. Este tipo de enlace se presente generalmente entre no metales.
Los compuestos iónicos presentan las siguientes propiedades físicas:
Son sólidos con elevados puntos de fusión.
Son solubles en disolventes polares (agua). Sin embargo, presentan baja solubilidad en disolventes apolares.
Fundidos y en disolución acuosa conducen la corriente eléctrica.
Se obtienen a partir de elementos con distinta electronegatividad (metal y no metal)
Son sólidos a temperatura ambiente. Son tan fuertes las fuerzas de atracción que los iones siguen ocupando sus posiciones en la red, incluso a centenares de grados de temperatura. Por tanto, son rígidos y funden a temperaturas elevadas.
En estado sólido no conducen la corriente eléctrica, pero sí lo hacen cuando se hallan disueltos o fundidos. Al introducir dos electrodos, uno positivo y otro negativo, en una disolución iónica, se crea un flujo de electrones al ser repelidos por el ánodo y atraídos por el cátodo (y viceversa para los cationes). Este fenómeno se denomina conductividad iónica.
Son duros y quebradizos. La dureza, entendida como oposición a ser rayado, es considerable en los compuestos iónicos; al suponer el rayado la ruptura de enlaces por un procedimiento mecánico, este resulta difícil debido a la estabilidad de la estructura cristalina.
Ofrecen mucha resistencia a la dilatación. Porque esta supone un debilitamiento de las fuerzas intermoleculares o iónicas.
Son muy solubles en agua. Estas disoluciones son buenas conductoras de la electricidad (se denominan electrolitos).
 
Enlace covalente
El Enlace Covalente se presenta cuando dos átomos comparten electrones para estabilizar la unión. A diferencia de lo que pasa en un enlace iónico, en donde se produce la transferencia de electrones de un átomo a otro; en el enlace covalente, los electrones de enlace son compartidos por ambos átomos. En el enlace covalente, los dos átomos no metálicos comparten uno o más electrones, es decir se unen a través de sus electrones en el último orbital, el cual depende del número atómico en cuestión
Cuando de se realiza un enlace covalente entre dos átomos o grupos de átomos es  para alcanzar el octeto estable, por lo que comparten electrones del último nivel.[] La diferencia de electronegatividades entre los átomos no es suficiente, dependiendo de esta diferencia de electronegatividad, el enlace covalente puede ser clasificado en covalente polar y covalente puro o apolar. Si la diferencia de electronegatividad está entre 0,4 y 1,7 es un enlace covalente polar, y si es inferior a 0,4 es covalente apolar.
Considérense átomos de hidrógeno, a medida que se aproximan entre sí, se van haciendo notar las fuerzas que atraen a cada electrón al núcleo del otro átomo, hasta que dichas fuerzas de atracción se llegan a compensar con la repulsión que los electrones sienten entre sí. En ese punto, la molécula presenta la configuración más estable.
Lo que ha sucedido es que los orbitales de ambos electrones se han translapado, de modo que ahora es imposible distinguir a qué átomo pertenece cada uno de los electrones.
Sin embargo, cuando los átomos son distintos, los electrones compartidos no serán atraídos por igual, de modo que estos tenderán a aproximarse hacia el átomo más electronegativo, es decir, aquel que tenga una mayor apetencia de electrones. Este fenómeno se denomina polaridad (los átomos con mayor electronegatividad obtienen una polaridad más negativa, atrayendo los electrones compartidos hacia su núcleo), y resulta en un desplazamiento de las cargas dentro de la molécula.
Los compuestos covalentes presentan las siguientes propiedades:
·         Muchos compuestos covalententes son gases y líquidos. Los sólidos presentan puntos de fusión relativamente bajos.
·         Presentan una importante solubilidad en disolvente apolares (tolueno, hexano, tetracloruro de carbono). Presentando baja solubilidad en disolventes polares.
·         No presentan conductividad eléctrica en fase líquida.
·         Están formados por elementos con electronegatividades similares.
 
 
 
 
 

 
 

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