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INTRODUCCIN

INTRODUCCIN

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El enlace y los compuestosqumicos

TEMARIO

CON ESCEPTICISMO: Podemos clasificar las sustan-cias? 96

LOS COMPUESTOS QUMICOS 97Propiedades de los compuestos 98

Estados de agregacin 99Conductividad elctrica 101

TE TOCA A TI: Verdades y falsedades de los com-puestos 103

EL ENLACE QUMICO 104El enlace inico 104El enlace metlico 105El enlace covalente 105El enlace covalente polar 107

EN EQUIPO: El enlace covalente 107Electronegatividad 108

La prediccin del tipo de enlace 108TE TOCA A TI: Enlace inico, covalente polar o co-valente no polar? 109TE TOCA A TI: Prediccin de propiedades 110

El modelo de enlace y otras propiedades 110Cristalinidad 110Solubilidad 111

DESCBRELO T: Inico o covalente? 112HERRAMIENTA: Valencia de los elementos ms co-munes 113CMO SE RESUELVE?: Escritura de frmulas 114HERRAMIENTA: Nomenclatura 115

De xidos 115De hidrxidos 115De cidos 115De sales 116

CMO SE RESUELVE?: Frmula a partir del nombre deun compuesto 116

EL ENLACE QUMICO Y LOS ELECTRONES 117Estructuras de Lewis y la regla del octeto 117

CMO SE RESUELVE?: Estructuras de Lewis 119TE TOCA A TI: Estructuras de Lewis 120

Para escribir las estructuras de Lewis 120TE TOCA A TI: Determinacin del esqueleto 121Enlaces doble y triple 121

Distancia de enlace 122TE TOCA A TI: Enlace sencillo, doble o triple 122

Iones poliatmicos 123

TE TOCA A TI: Iones poliatmicos 123Estructuras resonantes 123Limitaciones de la regla del octeto 124

DE FRONTERA: La reactividad de los gases nobles125

INTRODUCCIN A LOS COMPUESTOS DEL CARBONO 125

Hidrocarburos 126Hidrocarburos alifticos 127Alcanos 127

TE TOCA A TI: Estructuras de algunos alcanos 128Alquenos y alquinos 128Hidrocarburos cclicos 130

TE TOCA A TI: Estructura de alquenos y alquinos130DESCBRELO T: Alcano o alqueno? 131HERRAMIENTA: El nombre de los hidrocarburos131

Hidrocarburos aromticos 133Grupos funcionales 134

Alcoholes 135DESCBRELO T: Metanol o etanol? 136

teres 136Aldehdos y cetonas 137cidos carboxlicos 137steres 137Aminas 138Amidas 138

TE TOCA A TI: Reconoce grupos funcionales 139CTS Salud: Por qu etanol y no metanol? 139INTRODUCCIN A LOS COMPUESTOS DE COORDI-

NACIN 139TE TOCA A TI: Compuestos orgnicos como ligantes141

El origen de la qumica de coordinacin 142Algunas propiedades de los compuestos de coordina-

cin 145DESCBRELO T: Compuestos de coordinacin146CTS Salud: El cncer y los compuestos de coordina-cin 146

PROBLEMAS Y ACTIVIDADES 147BIBLIOGRAFA 149

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PRIMERA PARTE

MANIFESTACIONESDE LA MATERIA

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a) b)

Una primera aproximacin es clasificarlas por su estado de agregacin: slidos, l-quidos y gases. Slo que dicha clasificacin podr ser distinta si la hacemos durante unverano en el tropical Ecuador o en el invierno chileno. Habra que aclarar que la clasifica-cin se hace a una cierta temperatura, por ejemplo 25C. An as, podemos encontrar sus-tancias, como el 1-penteno, que son gases en la ciudad de Mxico o en La Paz, Bolivia,mientras que al nivel del mar son lquidas. Tendramos que aclarar tambin el lugar don-de nos encontramos? Podemos especificar la presin atmosfrica del mismo. En cuales-quiera de las condiciones, en qu categora quedara una goma de mascar masticada? Yesos materiales llamados cristales lquidos son slidos o lquidos? Vemos que la clasifi-cacin es buena, pero que tiene sus bemoles (ver figura 4.2).

Se podrn clasificar las sustancias por sus propiedades qumicas? La tabla peridicaes una clasificacin. En ella se propuso identificar a los elementos como metales o nometales, adjudicndole a cada categora una serie de cualidades. Sin embargo, existen al-gunos elementos como el boro, el silicio y el arsnico, entre otros, que se resisten a enca-jar en alguna de esas dos divisiones, por lo que se invent un nuevo trmino, el de meta-loide o semimetal, para los elementos que estn en la frontera entre los metales y los nometales.

En otro intento de clasificacin, se puede dividir a las sustancias por su constitucinqumica. Por ejemplo, es muy comn separar a las sustancias en orgnicas e inorgni-cas.

Las ideas que distinguen a los compuestos orgnicos de los inorgnicos han cambia-do a travs del tiempo. Inicialmente se consideraba que un compuesto orgnico era elproducido por un organismo vivo. Entonces, el fosfato de calcio que forma los huesos detodos los vertebrados habra sido catalogado como un compuesto orgnico durante el pri-mer cuarto del siglo XIX?

Para poder estudiarlas, para tratar de acercarnos a ellas e intentar conocerlas, pa-rece apropiado clasificar esa inmensa variedad de sustancias en algunas pocascategoras, para as dedicar nuestros esfuerzos a tratar de comprender una deellas a la vez.

96 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

CON ESCEPTICISMO:Podemos clasificar las sustancias?

El mundo que nos rodea se muestra pletrico de materiales diversos, sustancias de todostipos con diferentes apariencias, colores, olores y consistencias. Las hay benficas y txi-cas, ligeras como el aire, o rgidas y pesadas como el acero. (Ver figuras 4.1 a y b.

Figuras 4.1 a y bUna muestra de la diver-sidad de materiales exis-tentes.

Figura 4.2La clasificacin por estadosde agregacin no es del to-do clara.

n ohay CD

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Con la obtencin de la urea que realizWhler en 1828, se tambale por primeravez esta clasificacin. En el laboratorio, esdecir, no dentro de un ser vivo, un tpicocompuesto orgnico como la urea, queforma parte de las excreciones de los ani-males superiores, pudo ser obtenida porWhler a partir de una materia prima defi-nitivamente inorgnica, el cianato de

amonio, que es una sal mineral (ver figura 4.3).

A partir de ese momento, el criterio de clasificacin evolucion y se prefiri conside-rar a la orgnica como la qumica de los compuestos del carbono. As, actualmente reci-ben el nombre de orgnicos una infinidad de compuestos que jams han sido productode ningn ser vivo.

No obstante, seguimos dando hoy a la palabra org-nico la connotacin de producto de los seres vivos.Por ejemplo, cuando decimos basura orgnica nos refe-rimos a los restos animales y vegetales del procesamientode los alimentos. Un qumico no titubea ni un segundo alclasificar como orgnicos a compuestos como los hi-drocarburos de la gasolina o a los omnipresentes plsti-cos.

Sin embargo, el qumico mismo entiende que no de-be colocar un desecho plstico en un bote destinado a ba-sura orgnica. Dnde qued entonces la clasificacin?Debemos llamar compuesto orgnico al carbonato decalcio o al cianato de amonio por contener carbono, sien-do que ambos son sales minerales y que el primero se en-cuentra por doquier en el suelo de naturaleza caliza? (verfigura 4.4).Se podr clasificar a la materia de manera inequvoca?

Ser necesario hacerlo? No es acaso una prdida de tiempo tratarlo, de hacer en lugarde intentar explicar su comportamiento sin clasificacin alguna? Cunto se simplifica ocunta informacin se pierde cuando se trata de encasillar a las sustancias dentro de unaclasificacin? Volvemos a encontrarnos con problemas, con fronteras difusas, como laque separa a los cambios qumicos de los fsicos. Pero sabemos que as es la ciencia. Lasclasificaciones, por aparentemente intiles que parezcan, nos permiten avanzar.

LOS COMPUESTOS QUMICOSEn la vida diaria el avance de la ciencia se ve reflejado cuando ste se traduce en algunaaplicacin. Gran parte del progreso que vivimos proviene de la comprensin de las pro-piedades qumicas y fsicas de las sustancias. Actualmente existen millones de compues-tos distintos, con propiedades diferentes, formados a partir de menos de una centena deelementos qumicos (ver figura 4.5).

Sin importar las diferentes propiedades qumicas de los compuestos, hay una caracte-rstica comn en ellos: para formar un compuesto, los tomos se unen. Qu es lo que haceque los tomos permanezcan unidos? Cul es el pegamento que provoca que los to-mos no se separen? La respuesta est en la exploracin del enlace qumico, un modelo quelos qumicos han desarrollado para entender y predecir las propiedades de las sustancias.

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INTRODUCCIN

Figura 4.3Reaccin en la que el cia-nato de amonio, por calen-tamiento, se transforma enurea. Ambas sustancias es-tn constituidas por los mis-mos elementos y en las mis-mas cantidades (cuatro hi-drgenos, dos nitrgenos yun carbono por cada ox-geno), pero el arreglo es-pacial de sus tomos esabsolutamente diferente.

(NH4)(OCN) H2NCONH2

Cianato de amonio Urea

Figura 4.5Para hacer un satlite detelecomunicaciones o untransbordador espacial seutilizan compuestos forma-dos por decenas de los ele-mentos qumicos conoci-dos.

Figura 4.4Los huesos y los dientes estn formados por fsforo, oxgeno,hidrgeno y calcio. A pesar de ser sintetizados por organis-mos vivos, hoy no se les considera compuestos orgnicos,pues no contienen carbono.

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a)

Los enlaces qumicos se forman o se rompen a travs de procesos conocidos comoreacciones qumicas. Una de las caractersticas ms importantes del enlace qumico esla energa involucrada en su formacin o ruptura, que se conoce como energa de enlace.sta es una medida de la intensidad de la atraccin electrosttica neta que existe entre losdos tomos enlazados y es una manifestacin importante en las reacciones qumicas deformacin de compuestos a partir de sus elementos y, en general, en cualquier reaccin.

Puede un solo modelo de enlace explicar las propiedades de todos los compuestos?O, acaso hay que recurrir a diferentes tipos de enlace? An cuando el enlace qumicotenga su origen en razones electrostticas, existen matices importantes. Para entenderlos,analicemos algunos compuestos y sus propiedades.

Propiedades de los compuestos

En la materia natural, o en la sinttica o artificial, existe gran cantidad de compuestos conpropiedades muy diversas. Basta con levantar la vista y observar desde una mesa de ma-

dera hasta una bolsa de plstico para percatarse de ello. In-cluso hay materia que no distinguimos en primera instancia,como el aire. As, dentro de los compuestos qumicos hay al-gunos que fueron formados por la naturaleza, como el rbolque nos provey de la madera de la mesa o el aire que respi-ramos; mientras que otros, como los plsticos, han sido crea-dos por la humanidad. En cualesquiera de los casos, lo quefinalmente se ha producido es uno, varios o una multitud deenlaces entre los tomos que forman el compuesto (ver figu-ra 4.6 a, b, y c.

Una de las propiedades fcil de visualizar es el estadode agregacin. Qu puede aportar el anlisis de los estadosde agregacin de la materia a la naturaleza del enlace qumi-co que se presenta en un compuesto?

El enlace qumico puede entenderse por la presencia de una fuerza atractiva neta en-tre los tomos de los elementos que forman un compuesto. Esta atraccin es de naturalezaelectrosttica, derivada de la Ley Bsica de la Electrosttica: las partculas con cargaopuesta se atraen y las de igual signo se repelen. En la formacin del enlace qumico par-ticipan, por un lado, los ncleos atmicos, cargados positivamente y, por el otro, los elec-trones, con carga negativa. Existen atracciones y repulsiones entre estas partculas, pero siel enlace qumico se forma es porque las primeras vencen a las segundas.

El enlace qumico es el producto de la atraccin electrosttica neta que se da entrelas partculas de carga opuesta de los dos tomos que se enlazan.

98 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

Figuras 4.6 a, b, y cLos compuestos participan de diversas for-mas en nuestra vida, en principio porquetienen diferentes propiedades tanto fsicascomo qumicas. a y b) Nadamos en agualquida y patinamos en hielo; c) utilizamosla aspirina para quitarnos el dolor de cabe-za y los antibiticos para combatir infeccio-nes; respiramos elementos y compuestos enestado gaseoso pero nos alimentamos desustancias en estado lquido o slido; noso-tros mismos tenemos una multitud de com-puestos distintos en el organismo.

c)b)

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Estados de agregacin

Sea que la materia est compuesta de tomos no enlazados (como en los gases nobles),molculas (como en el agua lquida) u otros agregados de tomos cargados elctricamen-te (como en la sal comn), por simplicidad, llamaremos genricamente a cualquiera deestas partculas constituyentes de la materia como entidades.

La materia se presenta en tres estados de agregacin: slido, lquido y gaseoso. Enun gas la densidad es muy baja, comparada con la de un lquido o un slido. Tambin, losgases son compresibles, mientras que los otros estados no lo son. Estas propiedades sepueden explicar porque las entidades que forman el gas estn muy separadas unas de lasotras y tienen ms movilidad que en los otros estados. Es decir, en los lquidos y slidosla distancia entre las entidades es menor, lo mismo que la movilidad.

En la tabla 4.1 se presenta una serie de compuestos slidos, separados en dos sub-conjuntos de acuerdo con el valor de su temperatura de fusin.

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INTRODUCCIN

Tabla 4.1Clasificacin de algunos slidos por su temperatura de fusin.

Estado de agregacin Compuestos Punto defusin (C)

Slidos con temperatura Cloruro de sodio (NaCl) 800de fusin alta Diamante [C (diamante)] 3550

Hidroxiapatita, que forma parte de los huesos [Ca5(PO4)3OH] 1600

Hierro (Fe) 1528

Slidos con temperatura Fenol (C6H5OH) 43de fusin baja Glucosa (C6H12O6) 185

Azufre (S8) 119

Cul es la razn de que existan slidos con temperaturas de fusin tan distintas?La temperatura de fusin es aqulla a la cual un slido pasa al estado lquido. Para

ello, es necesario que las entidades que forman el compuesto se separen y se muevan msrpidamente. Podemos lanzar entonces la hiptesis de que la mayor o menor temperaturade fusin puede ser un reflejo de la intensidad de las fuerzas de interaccin entre estas en-tidades. Cuando las interacciones son muy fuertes, la temperatura de fusin es alta, yaque debe ser difcil separarlas. Mientras tanto, los compuestos que presentan temperatu-ras de fusin bajas deben mostrar interacciones dbiles entre las entidades que los for-man. Pero entonces, de qu depende que dichas interacciones sean fuertes o dbiles?

El valor de la temperatura de fusin depende, por una parte, de la naturaleza dela atraccin entre las entidades que forman la sustancia pero, fundamentalmente,de la cantidad e intensidad de dichas interacciones.

Ejemplifiquemos lo anterior. Intenta formar una red tridimensional con pelotas deunicel (poliestireno expandible) unidas unas a otras por medio de palillos. A cada pelotale clavas seis palillos para unirla con otras seis pelotas y as sucesivamente. En la figura4.7a, se muestra una fraccin de una red de este tipo. Si intentas separar una de laspelotas del centro del arreglo te resultar difcil, porque otras seis pelotas la amarran entodas direcciones. Esto no ocurre cuando tienes slo pelotas unidas entre s por pares depalillos, como en la figura 4.7b, porque tienes que vencer menor resistencia que en elcaso anterior.

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Por cierto, la facilidad para desprender una pelotatambin depende de la profundidad a la que se haya cla-vado el palillo y del espesor del mismo, lo que es anlo-go a decir que depende de la fuerza de la interaccin.

Lo mismo ocurre con los compuestos qumicos.Cuando las entidades que los forman atraen a sus veci-nos cercanos de manera fuerte y homognea, nos encon-tramos frente a interacciones multidireccionales, comoen el caso de la pelota unida a otras seis, donde las unio-nes se dan en varias direcciones. El cloruro de sodio, cuyaestructura se presenta en la figura 4.8, es un compuestode este tipo.

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Figura 4.7a) Una pelota unida con palillos a otras seis, resulta ms difcilde separar, b) que una unida slo a dos.

Figura 4.8a) Estructura interna del cloruro de sodio. Se ha resaltado el tomo central del arreglo para que veas las seis uniones con sus prime-ros vecinos. b) Hidroxiapatita: Ca5(PO4)3(OH)3, vista aproximadamente a lo largo del eje a de la celda hexagonal. Los tetraedros re-presentan los grupos fosfatos, la esferas de color gris los cationes Ca2+ y los crculos pequeos los hidroxilos.

Figura 4.9a) Estructura del diamante.Cada tomo de carbono es-t enlazado con otros cuatrotomos, con lo que se formauna red tridimensional deuniones que apuntan en cua-tro direcciones a partir decada tomo de carbono. b) Celda unitaria cbicacentrada en el cuerpocorrespondiente a laestructura del hierro.

Na

Cl

En los slidos con temperatura de fusin alta, las interacciones entre las entidadesque los constituyen son multidireccionales. Cuando hay interacciones de este tipo,las sustancias NO se presentan como lquidos o gases, ya que se forma una red in-finita de entidades fuertemente unidas entre s.

Cada cloro est unido a sus seis primeros vecinos (sodios) de manera muy simtricay, a su vez, cada sodio est unido a seis cloros. Para fundir esta sustancia debe ser necesa-rio aplicarle una temperatura alta, de tal forma que la agitacin trmica venza las interac-ciones multidireccionales que existen entre las entidades que la forman.

En los otros compuestos de la parte superior de la tabla 4.1 ocurre lo mismo. Todosellos presentan enlaces multidireccionales (ver figura 4.9).

Cuando en un compuesto existen interacciones multidireccionales entre sus entidadesconstituyentes, lo que se forma es una red infinita de entidades, fuertemente unidas entre s.

a) b)

a) b)

a) b)

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En los slidos con temperatura de fusin baja la situa-cin es distinta. Aqu las interacciones entre las entidades sedan con gran intensidad, pero slo entre algunos tomos ve-cinos y son dbiles con los otros. A esto se le conoce comointeracciones de direccin selectiva, ya que es en una de-terminada direccin en la que se produce una interaccinfuerte.

En las interacciones de direccin selectiva hay tomosfuertemente unidos a otros tomos vecinos (con lo que seforman molculas), pero la interaccin entre molculas esrelativamente dbil. En este caso, para pasar al estado lqui-do lo que se requiere es romper las interacciones dbiles en-tre molculas, por lo que el punto de fusin es bajo (verfigura 4.10). As, cuando una sustancia est formada por mo-lculas es explicable que exista como un slido de tempera-tura de fusin reducida.

Ahora bien, en los compuestos que son lquidos o gasesa temperatura ambiente, las interacciones tambin son de di-reccin selectiva. Estn constituidos, asimismo, por molcu-

las, pero la interaccin entre una molcula y las otras es ms dbil an que en los slidosde punto de fusin bajo.

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INTRODUCCIN

Figura 4.10Estructura del fenol. Al pa-sar al estado lquido, lasmolculas de fenol quedanseparadas unas de otras.Sin embargo, los tomosque forman la molcula defenol no se separan unosde otros al fundir, por lapresencia de interaccionesfuertes de direccin selecti-va entre ellos.

Si una sustancia es un gas, un lquido o un slido con baja temperatura de fusin,ser razonable suponer que est formada por molculas.

Con el anlisis del estado de agregacin de los compuestos y de su facilidad relativapara cambiar de estado, podemos tener idea de si el material cuenta con enlaces de direc-cin selectiva o con enlaces multidireccionales. Vemos entonces que los estados de agre-gacin permiten acercarnos a una interpretacin del enlace qumico presente. Analicemosuna segunda propiedad.

Conductividad elctrica

Otra de las propiedades de los compuestos que permite conocer algo ms de la naturalezantima de los enlaces es su comportamiento frente al paso de la corriente elctrica. Debi-do a que cualquier tomo est formado por partculas con carga elctrica, se antoja aven-turar que cualquier sustancia debe conducir la corriente elctrica. La realidad es que estono ocurre en todos los casos, por lo cual, conocer qu sustancias conducen y cules no yen qu condiciones, puede darnos informacin de inters sobre su estructura.

Retomemos los mismos ejemplos de la tabla 4.1. Al probar la conductividad elctricade esas muestras slidas mediante la tcnica empleada en la seccin DESCBRELO T:Metales y no metales, del captulo 2, resulta que el nico que conduce la electricidad es elhierro (Fe), por eso lo caracterizamos como un metal. Los materiales que conducen laelectricidad en estado slido son metales (aunque hay algunas excepciones; la ms nota-ble de ellas es el grafito). Este comportamiento elctrico de los metales sugiere que las in-teracciones que mantienen unidos a los tomos en un metal deben tener caractersticas es-peciales, por lo que se estudian por separado. El nombre con el que se identifica a este ti-po de enlace es el de enlace metlico.

Analicemos ahora los compuestos no conductores en estado slido y probemos suconductividad disueltos en agua destilada. Entre ellos, los que se disuelven en agua son elcloruro de sodio, el fenol y la glucosa. En la tabla 4.2 se resumen las propiedades de con-ductividad de las disoluciones acuosas de estos compuestos.

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Si probamos ahora la conductividad de los compuestos cuando estn fundidos, los re-sultados se muestran en la tabla 4.3.

Tabla 4.2Conductividad de slidos disueltos en agua.

Compuestos conductores al estar Compuestos no conductores al estar disueltos en agua disueltos en agua

cloruro de sodio (NaCl) fenol (C6H5OH) glucosa (C6H12O6)

Tabla 4.3Conductividad de slidos fundidos.

Slidos fundidos conductores Slidos fundidos no conductores

cloruro de sodio (NaCl) diamante [C(diamante)] hidroxiapatita [Ca5(PO4)3OH] azufre (S8)

fenol (C6H5OH) glucosa (C6H12O6)

Como vimos, cuando se funde un material lo que ocurre es que se rompen parcial-mente las interacciones que mantienen a las entidades unidas con sus vecinas. Algo si-milar sucede cuando se disuelve en agua A qu se debe que los compuestos en estadoslido no conduzcan la electricidad y s lo hagan cuando estn disueltos o cuando estnfundidos?

Estas especies portadoras de cargas positivas y negativas, llamadas iones, se atraenfuertemente entre s, lo que hace que en el estado slido se mantengan firmemente uni-das, empaquetadas con una alternancia de cargas opuestas, como en el NaCl (ver figura4.8a). Al estar agrupados en el slido, estos iones no tienen movilidad y no puedentransportar carga a travs del material, pero ello cambia al estar fundido o disuelto.

As, podemos decir que en el cloruro de sodio y la hidroxiapatita, sea fundidos o di-sueltos, desaparecen las interacciones multidireccionales. Las entidades cargadas quedanseparadas y libres para moverse, lo cual permite el paso de la corriente elctrica. Hemosarribado al modelo del enlace inico, con el que podemos explicar la conductividad elc-trica, al interpretarla mediante la desaparicin de las interacciones multidireccionales queexisten entre los iones que constituyen los llamados slidos inicos.

El paso de la corriente elctrica en estos materiales puede explicarse por la existen-cia de especies mviles, que transportan carga elctrica a travs del material en elestado lquido o cuando estn disueltas.

Los slidos inicos estn constituidos por entidades cargadas o iones, los que semantienen unidos multidireccionalmente.

Entre los otros compuestos de la tabla 4.1 existen algunos que no conducen la electri-cidad en ninguna de las condiciones, como el diamante, el azufre, el fenol y la glucosa.

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Lo que parece ocurrir es que al separarse unas entidades (molculas) de sus vecinas, yasea porque se funde el material o porque se disuelve, no queda libre ninguna especie car-gada y, por tanto, no se presenta la conductividad elctrica. Surge entonces el modelo deenlace covalente, que explica las interacciones que gobiernan este tipo de materiales, co-nocidos como compuestos covalentes.

En la tabla 4.1 podemos ver que los dos slidos inicos, NaCl y Ca5(PO4)3OH, fun-den a temperatura alta. Dentro de los slidos covalentes (los que no presentan conductivi-dad elctrica), hay uno que funde a temperatura mayor (diamante) que los otros (fenol,glucosa y azufre). Para la temperatura de fusin, lo importante no es el tipo de enlace sinosu direccionalidad. La tabla 4.4 resume la informacin obtenida hasta ahora de estas dospropiedades fsicas.

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INTRODUCCIN

Slidos

Temperatura de fusin

enlace metlico

en estado slido

enlace inico

fundido o disuelto

S conduce

enlace covalente

slidofundido o disuelto

No conduce

Conductividad elctrica

Propiedades fsicas

Temperatura de fusinalta

Enlaces multidireccionales

Redes

Enlaces de direccin selectiva

molculas discretas

Temperatura de fusinbaja

Tabla 4.4Algunas propiedades de las sustancias y la naturaleza de sus enlaces: inico, covalente o metlico.

Veamos ahora los modelos de enlace metlico, inico y covalente con ms detalle.

Analiza las siguientes aseveraciones e indica cul esfalsa y cul es verdadera. Argumenta y discute con tuscompaeros. Los compuestos inicos siempre se funden a mayor

temperatura que los compuestos covalentes. Los compuestos covalentes siempre se funden a me-

nor temperatura que los compuestos inicos. Todos los compuestos inicos conducen la electrici-

dad cuando estn fundidos o disueltos en agua. Ningn compuesto covalente presenta conductivi-

dad elctrica, sea slido, fundido o disuelto. Para explicar los diferentes valores de la temperatu-

ra de fusin de los slidos, no es necesario el mode-lo de enlace inico, metlico o covalente.

Para explicar la conductividad elctrica es necesarioconsiderar los modelos de enlace qumico.

Siempre que hay enlaces multidireccionales lasustancia es inica.

Siempre que el compuesto es inico el enlace esmultidireccional.

Siempre que la temperatura de fusin es elevadahay enlaces multidireccionales.

En los compuestos covalentes el enlace es siemprede direccin selectiva.

Los enlaces multidireccionales son los responsablesde que un compuesto conduzca la electricidad.

TE TOCA A TI:Verdades y falsedades de los compuestos

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EL ENLACE QUMICOPara facilitar el estudio, entender y predecir las propiedades de los materiales se han idea-do los modelos de enlace qumico.

Decir que un enlace es metlico, covalente o inico es una forma de manifestar elmodelo que se ha utilizado para explicar las propiedades de un determinado com-puesto.

De esta forma, por ejemplo, cuando un material conduce la corriente elctrica al fun-dir o disolverse en agua, pero no como slido, lo explicamos al decir que su slido estformado por una multitud de iones enlazados. Igualmente, decimos que es un compuestocovalente cuando no es capaz de conducir la electricidad ya sea como slido, lquido o di-suelto. Es decir, no aparenta estar compuesto por iones.

Decamos que el enlace qumico es producto de la atraccin electrosttica entre laspartculas de carga opuesta que forman los tomos. Entonces, si todos los enlaces tienenuna naturaleza electrosttica, por qu unos compuestos s conducen la electricidad y losotros no? Qu hay detrs de la clasificacin de las sustancias como inicas, metlicas ycovalentes? No hay un solo modelo que permita explicar las diferencias?

El enlace inico

En el enlace inico participan iones. stos son partculas cargadas, llamadas cationes sison positivas y aniones cuando son negativas.

Los cationes se forman cuando un tomo pierde uno o ms electrones y el ion resul-tante tiene una carga positiva igual al nmero de electrones perdidos. Los metales formancationes, principalmente. Dos ejemplos de formacin de cationes son: el ion sodio, conuna carga positiva y el calcio, con dos.

Na Na e

Ca Ca2 2 e

Por su parte, los aniones se forman cuando un tomo gana uno o ms electrones. Unanin tiene una carga negativa igual al nmero de electrones que gana. Los no-metalesforman a menudo aniones. He aqu dos ejemplos: el cloruro, un anin monocargado y elxido, uno dicargado.

Cl e Cl

O 2 e O2

Un enlace inico es el enlace qumico que se forma por la atraccin electrostticaneta que existe entre un conjunto de aniones y cationes. La manera ms simple de formarun compuesto inico es hacer reaccionar un metal con un no-metal. Para que la reaccinocurra, el metal transfiere uno o ms electrones al no-metal. Como ejemplo est el NaCl,donde el tomo no-metlico, el Cl, adquiere un electrn del tomo metlico, el Na. Sume-mos las dos reacciones correspondientes. El electrn que sale del sodio es tomado por elcloro, por lo que no aparecen electrones en la reaccin neta inferior:

Na Na e

Cl e Cl

REACCIN NETA Na Cl Na + Cl

Figura 4.11Estructura cristalina de lafluorita, CaF2.

F Ca

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El sodio metlico es una coleccin de iones sodio y de electrones uniformemente dis-tribuidos alrededor de esos cationes.

El enlace covalente

Para estudiar el enlace covalente un buen ejemplo es la molcula ms simple, la del hi-drgeno, H2, formada por cuatro partculas cargadas, dos protones positivos y dos electro-nes negativos.

Cuando los dos tomos de hidrgenoestn muy separados, solamente existela atraccin entre cada protn y su elec-trn. No hay ninguna fuerza de atrac-cin o repulsin entre los dos tomos dehidrgeno porque estn muy alejados yporque ambos son elctricamente neu-tros. Por tanto, no hay enlace qumicoentre ambos tomos (ver figura 4.14).

CAPTULO

1

CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 105

Ambos tomos se transforman en iones de carga opuesta. Cuando muchos de estosiones se acomodan como en la figura 4.8, la atraccin electrosttica entre los de cargaopuesta vence la repulsin de los iones de la misma carga, lo que forma un enlace inicofuerte y multidireccional.

En el caso de la formacin del xido de calcio, las reacciones seran:

Ca Ca2 + 2 e

O 2 e O2

REACCIN NETA Ca O Ca2 + O2

Cuando el compuesto se funde o se disuelve en agua, los iones se separan y quedanlibres para conducir la corriente elctrica.

El enlace metlico

Para conducir la electricidad desde donde sta se produce hasta la casa, se utilizan alam-bres metlicos. Los metales conducen la corriente elctrica cuando son slidos o lquidos.Esta propiedad llev a pensar que algunos de los electrones de los tomos deben estar to-talmente libres en los metales. El modelo ms sencillo para representar un metal es el dela figura 4.12.

Un modelo como ste no slo interpreta las propiedades de conductividad de los me-tales, sino tambin su ductilidad y maleabilidad (vase la figura 4.13).

CAPTULO

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CAPTULO

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CAPTULO

4

INTRODUCCIN

Figura 4.12Los metales pueden conce-birse como un conjunto deiones positivos que se en-cuentran ordenadamentecolocados dentro de unmar de electrones libres.Existen tantos electronescomo iones, de tal formaque existe neutralidad elc-trica en el conjunto.

Figura 4.13Los metales se deforman alsufrir una presin, pero nose rompen. Simplemente,los electrones libres se aco-modan nuevamente alrede-dor de la nueva conforma-cin del sistema de iones.

Figura 4.14Los tomos de hidrgenose encuentran muy separa-dos y no hay fuerzas deatraccin o repulsin entreellos.

Presin

El metal cambia de forma,pero no se rompe

tomos dehidrgeno

lo suficientementelejos para no

tener interaccintomo de H tomo de H

04-Garritz 22/3/05 05:19 pm Pgina 105

Si los tomos se acer-can poco a poco, aparecennuevas fuerzas atractivas(entre un protn y el elec-trn del otro tomo) perotambin fuerzas repulsivas(entre protn y protn, ascomo entre electrn y elec-trn). Cul puede ser elresultado?

La figura 4.15 mues-tra lo que sucede con unode los dos electrones, enfuncin de la posicin que

ocupe entre los dos protones. Es claro que las repulsiones pueden quedar superadas por lasatracciones a condicin de que los electrones se ubiquen en la regin entre los dos protones.

As, al formarse la molcula de H2, lo que sucede es que los dos electrones ocupan laregin que separa a los dos ncleos, lo que logra que la repulsin internuclear sea vencidapor las atracciones electrn-ncleo. Entonces se forma un enlace covalente. En la mol-cula del H2 no podemos identificar cul electrn provino del tomo de la izquierda y culdel de la derecha, los electrones de hecho estn deslocalizados entre los dos ncleos. Am-bos se encuentran compartidos por los dos protones, formando un enlace fuerte con unadireccin selectiva, la de la lnea que une a los dos ncleos. (Ver figura 4.16).

106 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

Figura 4.15a) En ausencia de electro-nes, los dos protones se re-pelen uno con el otro. b)Cuando un electrn ocupael espacio entre los dosprotones, se generan dosnuevas fuerzas de atrac-cin, cuya componente so-bre el eje internuclear pue-de cancelar a las repulsio-nes en a). c) Si el electrnno se ubica en la zona en-tre los dos ncleos, no hayforma de vencer la repul-sin entre los protones,pues las componentesatractivos no cancelan alos repulsivos. La molculano se forma de estamanera.

fAB fAB

fBe

fBe

B

B

AA

A

B

e

e

a) b)

fAe

fAe

fAe

fAe

fBe

fBe

c)

Cuando se comparten electrones entre dos tomos se forma un enlace covalente,que es un enlace de direccin selectiva con el que se puede constituir una molcula.

La evolucin de la energa total, conforme se aproximan los dos tomos de hidrgeno,se muestra en la figura 4.17. La posicin del punto mnimo de la figura marca en la absci-sa la distancia de equilibrio, o distancia de enlace, y en la ordenada la energa de enlace.

En este caso la energa de enlace es de 7.22 1019 J. Este dato puede parecer muypequeo, pero ello significa que una muestra de un gramo de H2 requiere de 217,500 jou-les para que se rompan todos los enlaces y se obtenga un gramo de tomos de hidrgeno.

H2 2 H E 217,500 J/g

En este hecho es en el que radica la energa de los combustibles que utilizamos todoslos das: liberan la energa qumica almacenada en sus enlaces covalentes.

Figura 4.16Formacin de la molculade hidrgeno.

H H

H H

H H

d. Las fuerzas repulsivas son mayores que las fuerzas atractivas.

Ener

ga

pote

ncia

l

0

b. La energa potencial disminuye conformelos tomos de hidrgeno se aproximan.

a. No hay atraccin.La energa potencial es cero.

c. El arreglo ms estable.La molcula se forma.

R Distancia entre los dos ncleos

Figura 4.16Formacin de la molculade hidrgeno.

Figura 4.17En la figura, R es la distancia que se-para a los dos protones. Arbitraria-mente establecemos, cuando R es muygrande, que los dos tomos separa-dos tienen una energa de cero. Con-forme ambos tomos se aproximan, laenerga se reduce debido a que loselectrones se sitan en la zona en laque permiten evitar la repulsin nu-clear, hasta llegar a distancia mnimade 0.74 . Si la separacin se reducean ms, la repulsin protn-protnno puede detenerse y la energa totalcrece y crece incesantemente.

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A continuacin te presentamos una tabla con los valo-res relativos de la energa y de la distancia de enlacepara diferentes compuestos moleculares con enlacescovalentes puros o covalentes polares. Arbitrariamentese han tomado como unidad los datos del H2.

1. Coloca en un diagrama cartesiano de energa de en-lace contra distancia de enlace los valores dadosen la tabla. Observa si los enlaces covalentes nopolares o polares se agrupan en diferentes zonas ono es el caso. Se puede generalizar con estos da-tos un criterio para determinar la caracterstica delenlace?

2. Cul es la diferencia entre H2 y HCl? Qu efectotiene sustituir un tomo de hidrgeno por uno decloro en los parmetros de enlace?

Formen equipos de tres personas y discutan susrespectivas respuestas. Saquen entre todos sus conclu-siones.

CAPTULO

1

CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 107

El enlace covalente polar

Si son iguales los tomos que forman una molcula diatmica covalente, los electrones secomparten equitativamente entre ambos. Tal es el caso del H2, el N2 o el O2. Estos enlacesse conocen como enlaces covalentes puros o no polares. Sin embargo, cuando la mol-cula est formada por dos tomos diferentes puede ocurrir que uno de ellos atraiga conms fuerza a los electrones de enlace. As, existe una alta probabilidad de que los electro-nes compartidos estn ms cercanos a ese tomo ms atractivo.

Por ejemplo, cuando se forma el cloruro de hidrgeno, HCl, el cloro atrae con msfuerza a los electrones que el hidrgeno. Los electrones se comparten entre los dos to-mos, no se han cedido de uno a otro como en el caso de un enlace inico. A pesar de ello,como uno de los tomos atrae ms a los electrones esto resulta en un leve exceso de carganegativa en ese tomo y en una pequea deficiencia de carga elctrica negativa (lo que esequivalente a tener un ligero exceso de carga positiva) en el tomo que atrae con menosfuerza a los electrones. Esta situacin se representa con la letra griega delta () seguidadel signo correspondiente a la carga elctrica en exceso. La representa una carga parcialde magnitud menor a la carga de un electrn. La molcula de HCl se puede entonces es-cribir como en la figura 4.18.

Esta situacin, en la que dos cargas elctricas de signo opuesto estn separadas poruna cierta distancia, se conoce como un dipolo elctrico. Cuando un enlace covalentepresenta un dipolo se forma un enlace covalente polar. Las molculas que estn forma-das por tomos diferentes, generalmente forman enlaces covalentes polares.

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CAPTULO

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CAPTULO

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INTRODUCCIN

Figura 4.18Molculas de H2, Cl2 yHCl, esta ltima con larepresentacin de cargasparciales.

En el enlace inico un tomo ha ganado los electrones que el otro tomo ha perdido. En el enlace covalente, los electrones se comparten entre los tomos. Un enlace covalente puede ser polar o no polar. Ello depende de la atraccin rela-

tiva de los electrones por los tomos que intervienen en el enlace.

EN EQUIPO:El enlace covalente

Compuesto Energa Distancia Caracters-de enlace de enlace tica del

con relacin con relacin enlaceal H2 al H2

H2 1 1 electronesF2 0.36 1.92 compartidosO2 1.15 1.64 equitativamenteN2 2.18 1.49HF 1.32 1.24 electronesHCl 1 1.72 compartidosHI 0.69 2.16 desigualmente

Densidad delelectrn ms baja

Densidad delelectrn ms alta

H2

Cl2

HCl

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108 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

Electronegatividad

A la capacidad de un tomo en una molcula de atraer hacia s mismo a los electrones enun enlace, el cientfico estadounidense Linus Pauling la llam electronegatividad y leasign el smbolo (letra ji griega). En general, los electrones que participan en un en-lace covalente estn ms cercanos del tomo con un valor ms grande de , y la cargaparcial negativa () se sita sobre ese tomo. De manera equivalente, la carga parcialpositiva () queda en el tomo con un valor ms pequeo de electronegatividad.

Linus Pauling propuso una teora para estimar la electronegatividad de los tomos.Analiz una gran cantidad de informacin experimental y logr asignar un valor para ca-da uno de los elementos de la tabla peridica, mismos que se encuentran en la tabla 4.5.

La electronegatividad es una medida de la capacidad de un tomo en una molcu-la para atraer hacia s mismo los electrones de un enlace.

La prediccin del tipo de enlace

La diferencia en los valores de electronegatividad de dos tomos que se enlazan puedeusarse como una gua para proponer el tipo de enlace que existe entre ellos. Cuando la di-ferencia de electronegatividad A B es muy grande, el enlace entre A y B es inico. SiA B es pequea, el enlace entre A y B es covalente polar. Finalmente, si A B escero, se trata de un enlace covalente no polar entre A y B.

Con base en un cmulo de informacin, se ha propuesto un criterio que, aunque noes infalible, puede guiarnos para decidir el tipo de enlace qumico que predomina en unmomento dado:

H2.1

Li1.0

Na0.9

K0.8

Rb0.8

Cs0.7

Fr0.7

Be1.5

Mg1.2

Ca1.0

Sr1.0

Ba0.9

Ra0.9

Sc1.3

Y1.2

La-Lu1.0-1.2

Ti1.5

Zr1.4

Hf1.3

V1.6

Nb1.6

Ta1.5

Cr1.6

Mo1.8

W1.7

Mn1.5

Tc1.9

Re1.9

Fe1.8

Ru2.2

Os2.2

Co1.9

Rh2.2

Ir2.2

Ni1.9

Pd2.2

Pt2.2

Cu1.9

Ag1.9

Au2.4

Zn1.6

Cd1.7

Hg1.9

B2.0

Al1.5

Ga1.6

In1.7

Tl1.8

C2.5

Si1.8

Ge1.8

Sn1.8

Pb1.9

N3.0

P2.1

As2.0

Sb1.9

Bi1.9

O3.5

S2.5

Se2.4

Te2.1

Po2.0

F4.0

Cl3.0

Br2.8

I2.5

At2.2

1

2

3 4 5 6 7 8 9 1210 11

13 14 15 16 17

18

Aumento de electronegatividad

Aum

ento

de

elec

tron

egat

ivid

ad

Tabla 4.5La electronegatividad de loselementos, segn Pauling.Se muestra su tendenciacreciente al avanzar a laderecha en un perodo yhacia arriba en una familia.

Es importante que te familiarices con la electronegatividad y con la manera en quevara a lo largo de la tabla peridica, ya que esta propiedad resulta muy til para explicary predecir gran cantidad de reacciones y de propiedades qumicas.

Si te fijas en la tabla 4.5, notars que, en general, la electronegatividad se incrementaal moverse de izquierda a derecha en la tabla y que disminuye de arriba a abajo. De estaforma, el valor mximo de electronegatividad lo tiene el flor (4.0), y el mnimo lo tienenel cesio y el francio (0.7).

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CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 109

En la figura 4.19 tienes un esquema simple de los tres tipos de enlace.La tabla 4.6 presenta la relacin entre el tipo de enlace y la diferencia de valores de

electronegatividad.

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CAPTULO

3

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INTRODUCCIN

Si A B es mayor o igual a 1.7, el enlace se considera ms inico que covalente.Por otra parte, cuando A B vale entre 0.1 y 1.7, el enlace es covalente polar. SiA B es cero, se trata de un enlace covalente no polar.

Figura 4.19Modelos que representan a) un enla-ce covalente no polar, b) un enlacecovalente polar y c) un enlace inico.

a) Enlace covalente no-polar b) Enlace covalente polar

c) Enlace inico

De acuerdo con el criterio de diferencia de electrone-gatividades, clasifica el enlace de cada una de las si-guientes sustancias como inico, covalente polar o co-valente no polar. Cuando sea pertinente hacerlo, mues-

tra la carga parcial con + o en cada uno de los to-mos.

a) NaF b) N2 c) BrF

d) HBr e) RbCl f) CsFr g) PH3

TE TOCA A TI:Enlace onico, covalente polar o covalente no polar?

Diferencia deeletronegatividades entrelos tomos que se enlazan

Tipo de enlace Carcter covalente Carcter inico

Cero

Intermedia

Grande

Covalente

Covalente polar

Inico

crececrece

Tabla 4.6Relacin entre la diferencia de electronegatividad y la formacin de enlaces inicos, cova-lentes no polares y covalentes polares. Se aprecia como se distribuyen los electrones.

Es importante sealar nuevamente que el criterio de la diferencia de electronegativi-dades es hasta cierto punto arbitrario y falible. Hay compuestos en los que A B nosadelantara que son inicos y, sin embargo, al no conducir la electricidad parecen ser co-valentes. En qu hay que creer, en el modelo o en el resultado de la medicin experi-mental? Por supuesto que en el experimento.

Recuerda. Los modelos de enlace qumico surgen para explicar propiedades como laconductividad elctrica, que es algo medible, una realidad. Si el modelo predice una cosay del experimento resulta otra cuestin, es porque el modelo, para ese ejemplo, no funcio-na. Estos modelos son tiles en una gran cantidad de compuestos, y por eso se utilizan,pero no pierdas de vista que puede haber excepciones en las que el modelo fracase.

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110 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

El modelo de enlace y otras propiedades

Con el modelo de enlace qumico que se acaba de esbozar, podemos proponer el tipo deenlace que se forma en un compuesto y, predecir algunas propiedades del mismo, comosu comportamiento frente al paso de la corriente elctrica o la magnitud relativa de supunto de fusin. Veremos ahora que tambin puede guiarnos en el estudio de otras propie-dades.

Cristalinidad

En un cristal inico, los tomos se acomodan ordenadamente. Recuerda el caso del NaClde la figura 4.8. Observa tambin otro tipo de estructura inica, la del cloruro de cesio, enla figura 4.20.

Para reducir la repulsin entre los iones con la misma carga, los iones se acomodande tal forma que los primeros vecinos de un ion positivo siempre son iones negativos, yviceversa. Esto obliga a que exista un orden notable en el arreglo. As, estos compuestosforman un empaquetamiento ordenado en el que las atracciones son mximas y las repul-siones mnimas. Ese arreglo inico, ordenado a nivel microscpico, se manifiesta macros-cpicamente como un cristal. Los compuestos inicos tienen apariencia de cristales.

A pesar de que en los compuestos con enlaces covalentes no existe una repulsin deiones, hay compuestos covalentes con una estructura cristalina donde el arreglo tambines ordenado, como es el caso del diamante o el azcar. Vemos que la presencia de ionesen un material no es necesaria para que ste presente una estructura cristalina. Los com-puestos covalentes pueden ser cristalinos o no.

Para los siguientes halogenuros de elementos de la pri-mera, segunda, decimotercera y decimocuarta familias

LiF BeF2 BF3 CF4LiClLiBrLiI

Consulta los puntos de fusin en un manual de da-tos qumicos (ver CRC en la bibliografa) y compra-los con la diferencia de electronegatividades de cadapar de elementos. Indica si existe una relacin entreambos parmetros y si el criterio de diferencia de elec-tronegatividades para definir si un compuesto dado escovalente o inico se satisface. No te sorprende el es-tado fsico a temperatura ambiente de los compuestosBF3 y CF4?

TE TOCA A TI:Prediccin de propiedades

Pasa la prueba el criterio de la diferencia de elec-tronegatividades?

Figura 4.20Estructura cristalina del clo-ruro de cesio. El ion cesioes ms grande que el ionsodio, as que alrededorde l pueden colocarseocho cloruros. la estructurade la malla cristalina delCsCl Hay que imaginar co-mo un conjunto enorme decubos como el que semuestra, pegados caracon cara uno tras otro, entodas direcciones. Lograsimaginar en ese arreglo decubos que cada cloruro es-t rodeado tambin porocho iones cesio?

Figura 4.21Distintos tipos de slidoscristalinos. a) Cubo de salcomn, b) Diamante.

CsCl

La presencia de iones en un slido implica una estructura cristalina, pero una es-tructura cristalina no necesariamente implica la presencia de iones.

no hay CDNo sirve

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CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 111

Solubilidad

En una disolucin, al compuesto presente en menor proporcin se le llama soluto, y di-solvente al que se encuentra en mayor cantidad. Para que un soluto se disuelva en un disol-vente, las atracciones entre las entidades que forman el soluto y las que forman el disolven-te tienen que ser mayores que las que existen entre las entidades del soluto o el disolventeentre s. (Ver figura 4.22).

Un disolvente por excelencia es el agua. Las molculas del agua estn formadas pordos tomos de hidrgeno y un tomo de oxgeno. Como la electronegatividad del oxgeno(O 3.5) es mayor que la del hidrgeno (H 2.1) (tabla 4.5), en el agua se forma unenlace covalente muy polar. De esta forma, en el agua existe un dipolo permanente, conuna parte negativa alrededor del oxgeno y otras dos porciones positivamente cargadas al-rededor de los hidrgenos (ver figura 4.23).

Cuando el agua moja un cristal inico, se establecen interacciones fuertes entre el di-polo del agua y los iones. La carga parcial negativa de la molcula de agua atrae a los ca-tiones, mientras que la positiva de los hidrgenos hace lo correspondiente con los anio-nes. Estas nuevas atracciones pueden llegar a vencer la energa de cohesin del slido, elcual, en ese caso, acaba por disolverse. De esta manera, una buena cantidad de slidos i-nicos se disuelven totalmente en el agua, como es el caso del NaCl. Los dipolos del aguase orientan adecuadamente alrededor de los iones, con lo que se presenta el fenmeno desolvatacin (ver figura 4.24).

Podemos decir que todos los compuestos inicos son solubles en agua? Analicemoslos ejemplos de la tabla 4.1 para decidir la respuesta. Entre ellos, por su comportamientocomo conductores de la electricidad, concluimos que NaCl y Ca5(PO4)3OH son compues-tos inicos. Recordamos que este ltimo es el material que forma huesos y dientes. Sinhacer ningn experimento ms que observarte a ti mismo, puedes concluir que la hidro-xiapatita no se disuelve en agua. Los dientes no se te disuelven con la saliva verdad? Esclaro que no todos los compuestos inicos son solubles en agua. Cuando la atraccin en-tre los iones en el slido es ms fuerte que su interaccin con el dipolo de la molcula deagua, el compuesto no se disuelve. (Ver figura 4.25)

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INTRODUCCIN

Figura 4.22Proceso de disolucin deun compuesto A en un di-solvente B. Si la fuerza deinteraccin entre las entida-des del disolvente, BB, ydel soluto, AA, son meno-res que la nueva interac-cin AB, entonces s ocu-rre la disolucin.

A

A A

A

AA

AA

A

A A

A

A

A

A

A

AA

AA

AAA

AA

B B B B

BBBB

Disolvente

Soluto

B

B

B

B

BDisolucin

Figura 4.23En la molcula de agua seforman dos dipolos: ,siendo el oxgeno el tomosobre el cual se sitan lasdos cargas negativas.

H

H

2O

Figura 4.24La disolucin del NaCl enagua se logra por las inte-racciones atractivas fuertesentre los iones positivos ynegativos del cristal con losdipolos del agua. Se diceque los iones se solva-tan, es decir, quedan ro-deados por molculas deagua orientadas apropia-damente, de acuerdo conla carga del ion.

Figura 4.25Los dientes no se disuelvenen agua.

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112 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

Pero, qu ocurre con los compuestos formados por enlaces covalentes? Resulta queuna gran cantidad de ellos se disuelven totalmente en agua, como el azcar o el etanol,mientras que muchos otros son totalmente insolubles, como el disulfuro de carbono, CS2.Lo interesante es que aqullos cuyos enlaces covalentes son polares, generalmente s sonsolubles en agua. En este caso, la interaccin ocurre a travs de los dipolos del disolvente(agua) y los del soluto (el compuesto covalente polar). Observa en la figura 4.26 la inte-raccin entre agua y etanol, dos compuestos que son polares debido a la alta electronega-tividad del oxgeno.

De los ejemplos expuestos, resumimos que el fenol y el azcar son compuestos cova-lentes, ya que no conducen la electricidad, pero son solubles en agua porque sus enlacesson covalentes polares.

Entonces, tiene algo que ver el tipo de enlace qumico presente en un compuestocon su solubilidad en distintos disolventes?

Podemos establecer que la presencia de entidades con enlaces covalentes polares enun slido puede favorecer su solubilidad en un disolvente polar, como el agua. Pero, de-safortunadamente, no es posible generalizar. Por ejemplo, los hidrocarburos forman tam-bin enlaces covalentes con cierta polaridad, pues para el carbono C 2.5 y en el hidr-geno H 2.1. Quiz por esta pequea diferencia de electronegatividades, estos compues-tos no son solubles en agua.

De igual forma podemos decir que los compuestos que tienen enlaces inicos pue-den ser solubles o insolubles en agua, lo que depende de las fuerzas de atraccin entresus iones.

Figura 4.26Los compuestos covalentespolares se disuelven enagua. Esquema de la diso-lucin metanol-agua, don-de se ve la interaccin en-tre los dos dipolos.

Figura 4.27El fenol es un slido cova-lente polar.

H

H

HH

H

H

O

O

O

CH3

CH3

CH

3

CH3 HO

CH3 HO

CH3 HO

Metanol

Agua

H

O

O

O

O

O

H

H

H

H

H

H

Disolucin metanol-agua

H

O

Material Tubos de ensayo y gradilla. Aparato para la determinacin de puntos de fusin

(ver figura 1.10).

Aparato para detectar el paso de la corriente elc-trica (Ver figura 2.33).

Yoduro de plomo [PbI2]; nitrato de magnesio he-xahidratado [Mg(NO3)26H2O]; fenol [C6H6O];benzofenona [C13H10O] y acetato de sodio [CH3COONa].

Dos muestras desconocidas (A y B).

DESCBRELO T:Inico o covalente?

Cul es el mejor criterio para clasificar a los com-puestos inicos y covalentes?

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CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 113

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INTRODUCCIN

Procedimiento1. Usando tus conocimientos previos, clasifica cada

una de las sustancias propuestas como inica o co-valente.

2. Anota en cada caso, si la sustancia tiene aspectocristalino o no.

3. A una pequea muestra de cada una de ellas, in-tenta disolverla en agua destilada y, si es el caso,prueba si la disolucin resultante conduce la co-rriente.

4. A cada una de las sustancias determnales el puntode fusin (pueden ponerse varias muestras muypequeas en el mismo cubre-objetos).

5. Intenta fundir cada una de ellas con el mechero enun pequeo vaso de precipitados y prueba si con-ducen la corriente elctrica al estar fundidas.

6. Con tus resultados, construye una tabla que con-

temple: tipo de compuesto, si es cristalino o no, sies soluble en agua o no, si conduce la electricidaddisuelto en agua o no, su punto de fusin y si con-duce la electricidad fundido o no).

Ahora realiza las mismas pruebas a las sustanciasdesconocidas A y B y con la informacin obtenida, cla-sifica cada una de ellas como inica o covalente.

De los compuestos con los que has trabajado, no tedeshagas del yoduro de plomo, ya que este metal es pe-ligroso para la salud y no conviene arrojarlo al drenaje.Fltralo y gurdalo para otro experimento.

Cul es el mejor criterio para clasificar los com-puestos inicos y covalentes?

La valencia ordinaria de los elementos representativos (grupos 1, 2 y 13 a 18 de la tabla peridica larga) se puedeobtener directamente con el conocimiento del grupo al cual pertenecen.

Por ejemplo, los elementos de los grupos 1 y 17 son frecuentemente monovalentes, debido a que los del grupo1 tienden a formar iones positivos monocargados y los del 17 forman iones negativos monocargados. Algo similarsucede con los elementos de los grupos 2 y 16, que son divalentes, as como con los grupos 3 y 15, todos trivalen-tes (ver tabla 4.7). Los elementos del grupo 14 los hemos separado arbitrariamente en dos columnas, dado el carc-ter metlico de los dos ltimos elementos de la familia, estao y plomo.

Para prepararnos a escribir frmulas y nombrar compuestos, es necesario aprender algunas cosas ms, relati-vas a los iones negativos, los iones de los metales de transicin y los iones compuestos:

Los iones negativos de la tabla 4.7 se nombran con la terminacin -uro. Tenemos como ejemplos: fluoruro,F; cloruro, Cl; sulfuro (el de azufre), S2, y nitruro, N3. La nica excepcin es el ion xido, O2.

En algunos casos los metales de transicin forman compuestos con iones que tienen dos o ms cargas diferen-tes, como es el caso de cobre y hierro. Se dice que estos elementos tienen dos o ms valencias distintas. Enton-ces, se habla de los iones cobre (I) y cobre (II), hierro (II) y hierro (III). Es decir, para nombrar estos iones se

HERRAMIENTA:Valencia de los elementos ms comunes

Valencia 1 Valencia 2 Valencia 3 Valencia 4

Grupo 1 Grupo 17 Grupo 2 Grupo 16 Grupo 3 Grupo 15 Grupo 14 Grupo 14H F Be2 O2 B3 N3 Sn4 (IV) C4 (IV)Li Cl Mg2 S2 Al3 P3 Pb4 (IV) Si4 (IV)Na+ Br Ca2 Se2

K+ Sr2

Tabla 4.7Valencias de los elementos representativos de la tabla peridica. Se presentan los iones ms frecuentes de estoselementos.

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114 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

coloca la carga del catin como nmero romano entre parntesis a la derecha del nombre del elemento (ver ta-bla 4.8).

Existen iones compuestos, formados por dos o ms elementos, que a veces son monocargados, dicargados otricargados. La tabla 4.8 incluye a los ms comunes y sus nombres.

Tabla 4.8Carga y nombre de algunos iones de los metales de transicin y de los iones compues-tos ms comunes.

Valencia 1 Valencia 2 Valencia 3

Ion Nombre Ion Nombre Ion Nombre

Cu cobre (I) Zn2 zinc Cr3 cromo (III)

Ag plata Cu2 cobre (II) Fe3 hierro (III)

Au oro (I) Cr2 cromo (II) Au3 oro (III)

NH4 amonio Fe2 hierro (II)

OH hidroxilo CO32 carbonato PO43 fosfato

CN cianuro SO42 sulfato PO33 fosfito

NO3 nitrato SO32 sulfito

NO2 nitrito

Preguntasa) Con cuntos iones CN se combinan los iones

plata, calcio, cromo (III) y estao o (IV)?b) Cuntos iones amonio (NH4) se combinan con

los iones bromuro, carbonato, sulfato y fosfato?c) Con cuntos iones nitrato se combina el hierro?d) Con cuntos sulfuros se combinan los iones co-

bre (I), magnesio y hierro (III)?

Respuestas a) Como la carga del ion cianuro es uno, se requiere

un cianuro para satisfacer la valencia de la plata,dos para el bario, tres para el cromo(III) y cuatropara el estao (IV). Por tanto, las frmulas son:

AgCN, Ba(CN)2, Cr(CN)3, Sn(CN)4

b) Como el amonio tambin es univalente, la res-puesta es:

NH4Br, (NH4)2CO3, (NH4)2SO4, (NH4)3PO4

c) De la tabla 4.8, es claro que el hierro ocupa un lu-gar con valencia 2 y otro con valencia 3. Habla-mos entonces de los iones Fe (II) y Fe (III). Si elion Fe (II) se combina con nitrato, se tiene la fr-mula Fe(NO3)2 o nitrato de hierro (II). Por el con-trario, si es el ion Fe (III) el que se combina connitrato, entonces la frmula ser Fe(NO3)3 o nitratode hierro (III).

d) En este caso el azufre es divalente, as que se com-bina con dos iones cobre (I) o con un magnesio.Para el hierro (III), la solucin consiste en consi-derar tres azufres (con carga total de 6-) y dos hie-rros (III) (tambin con 6 cargas, ahora positivas).En resumen, las frmulas son:

Cu2S MgS, Fe2S3

CMO SE RESUELVE?:Escritura de frmulas

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De xidos

Los xidos son los compuestos binarios de cualquierelemento con el oxgeno. Para nombrar los xidos delos metales se usa la palabra xido seguida de la pala-bra de y el nombre del ion metlico:

Na2O FeO Al2O3xido xido xido

de sodio de hierro (II) de aluminio

Por su parte, para nombrar a los xidos de los no-metales, se usan prefijos que indican el nmero total deoxgenos y de no-metal en la frmula.

CO2 SO3 N2O5dixido trixido pentxido

de carbono de azufre de dinitrgeno

En estos compuestos los no-metales adquieren va-lencias grandes: cuatro el carbono del CO2, seis el azu-fre del SO3 y cinco el nitrgeno del N2O5.

En el CO, gas sumamente venenoso que se liberaen las combustiones incompletas de materia orgnica,la valencia del carbono es dos. Su nombre es monxi-do de carbono.

De hidrxidos

Los hidrxidos son compuestos de un ion metlico coniones hidroxilo, OH.

Su nomenclatura es muy simple: consta de la pala-bra hidrxido seguida de de y del nombre del ionmetlico:

KOH Ba(OH)2 Cr(OH)3hidrxido hidrxido hidrxidode potasio de bario de cromo (III)

Los hidrxidos se pueden producir al agregar aguaal xido de un metal:

K2O + H2O 2 KOH

BaO + H2O Ba(OH)2Cr2O3 + 3 H2O 2 Cr(OH)3

De cidos

Existen dos tipos de cidos:a) Los hidrcidos, compuestos por un no metal e hi-

drgeno. Se nombran con la palabra cido y elnombre del no metal con el sufijo -hdrico. Noobstante, la tendencia moderna es nombrarlos co-mo derivados del anin (con el sufijo -uro). Porejemplo,

HCl H2STRADICIONAL cido clorhdrico cido

sulfhdrico

MODERNA cloruro de sulfurohidrgeno de hidrgeno

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CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 115

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INTRODUCCIN

HERRAMIENTA:Nomenclatura

Figura 4.28Los cristales de cuarzo son xido desilicio: SiO2.

Figura 4.29La cal que se usa para la construccin eshidrxido de calcio, Ca(OH)2.

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116 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

b) Los oxicidos, en los que el no metal est acompa-ado de oxgeno (en un anin compuesto) y quecontienen tambin hidrgeno. Su nomenclaturaconsta de la palabra cido, seguida del nombredel anin compuesto, pero debe reemplazarse elsufijo -ato por -ico, y el -ito por -oso:

H2SO4 HNO3 HNO2cido sulfrico cido ntrico cido nitroso

Los oxicidos son el producto de la reaccin delos xidos de los no metales con el agua:

SO3 H2O H2SO4

N2O5 H2O 2 HNO3

N2O3 H2O 2 HNO2

De sales

Cuando los iones metlicos sustituyen al H de los ci-dos se forman sales, que se nombran iniciando con laraz del nombre del anin, seguida de la terminacin-uro si proviene del hidrcido o con -ato o -ito si derivan del oxicido. En las frmulas siempre se em-pieza con el smbolo del metal:

a) Sales derivadas de hidrcidos:

NaCl CuS AlBr3cloruro de sodio sulfuro bromuro

de cobre (II) de aluminio

b) Sales derivadas de oxicidos

Cu2SO3 KNO3 MgCO3sulfito nitrato carbonatode cobre (I) de potasio de magnesio

Escribe las frmulas de:

a) tetrxido de dinitrgeno

b) xido de cobre (I)

c) selenuro de hidrgeno

d) sulfuro de calcio

e) hidrxido de hierro (III)

f) nitrito de potasio

g) sulfato de aluminio

a) Compuesto binario de dos no metales: oxge-no y nitrgeno. En este caso los prefijos indi-can inmediatamente el nmero de tomos pre-sentes en la frmula. sta se inicia con el nometal y luego con el oxgeno: N2O4.

b) Compuesto binario de un metal (cobre) con ox-geno. Como ste es divalente, se requieren doscobres (I) para satisfacer las capacidades decombinacin de ambos. En la frmula se escri-be primero el metal y luego el oxgeno: Cu2O.

c) Compuesto binario de hidrgeno y selenio. El

selenio es divalente (ver tabla 4.7) que est enel mismo grupo que el oxgeno y el azufre), porlo que se combina con dos hidrgenos, ya questos son monovalentes. En cidos siempre secomienza la frmula por el hidrgeno: H2Se.

d) Compuesto binario (se reconoce por el sufijo -uro) de azufre y calcio. Siempre se empiezala frmula por el metal, y como ambos son di-valentes es: CaS.

e) Los hidrxidos tienen un metal (hierro, en es-te caso) y iones hidroxilo OH. Como stostienen valencia uno y el metal es trivalente, lafrmula es: Fe(OH)3.

f) El potasio es monovalente y el nitrito tam-bin: KNO2.

g) El aluminio tiene valencia tres, mientras queel sulfato dos. La frmula se obtiene invirtien-do estos datos y colocndolos como subndi-ces: Al2(SO4)3.

CMO SE RESUELVE:Frmula a partir del nombre de un compuesto

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CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 117

EL ENLACE QUMICO Y LOS ELECTRONESEn 1869, Mendeleiev lleg a su arreglo peridico de manera emprica, al organizar las di-versas propiedades de los elementos, pero crucialmente al analizar su valencia. Despusdel descubrimiento del electrn, en 1897, era el momento de intentar modelos qumicos delenlace en los que los electrones empezaran a jugar un papel importante para descifrar esavalencia o capacidad de combinacin de los elementos.

Stark, antes del descubrimiento del ncleo, consider que los electrones pudieran serresponsables de unir en los enlaces las partes positivas de dos tomos. Fue John JosephThomson quien propuso hacia 1907 la idea de la comparticin de electrones como fuerzaenlazante. Un ao ms tarde, Ramsay, descubridor de los gases nobles, dice contundente-mente:

Los electrones sirven como lazo de unin entre tomo y tomo.

No obstante, es hasta 1916 cuando los qumicos toman en consideracin plena a loselectrones para interpretar la periodicidad del comportamiento qumico y lo hacen atina-damente a travs de modelos simples. Es entonces cuando surgen los modelos del enlaceinico y covalente, lo que adicionalmente nos proporciona una forma apropiada de repre-sentarlos.

Estructuras de Lewis y la regla del octeto

En 1916 y de manera independiente, Gilbert Newton Lewis, qumico estadounidense, yWalther Kossel, fsico alemn, idearon un modelo sencillo en el que los electrones exter-nos, o de valencia, se representan en forma de puntos.

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INTRODUCCIN

Los electrones ms externos de los tomos se conocen como electrones devalencia, ya que son los responsables de enlazarse qumicamente con los to-mos vecinos.

En el captulo 2, en la seccin INTRODUCCIN A LA TABLA PERIDICA, cons-truimos el ordenamiento de Mendeleiev basados precisamente en el concepto de valencia.En las columnas de la tabla 2.8 del captulo 2 se colocaron los elementos ordenados poresta propiedad. Recordemos:

La primera columna contiene elementos con valencia uno, como hidrgeno, li-tio, sodio y potasio.

En la segunda, los hay divalentes, como berilio, magnesio y calcio. En la tercera columna aparecen boro y aluminio, ambos trivalentes. Carbono y silicio ocupan la cuarta columna, por su tetravalencia. En la quinta columna encajan nitrgeno, fsforo y arsnico. No obstante, el en-

cabezado de dicha columna habla de su trivalencia. Nota que la valencia princi-pal de los elementos decae a partir de la cuarta columna.

Con una reduccin similar, en la sexta columna se presentan oxgeno, azufre yselenio, divalentes.

En la sptima aparecen ahora nuevamente elementos monovalentes, como flor,cloro y bromo.

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118 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

Finalmente, despus de su descubrimiento, la octava columna la ocupan los ga-ses nobles helio, nen, argn y kriptn, que tienen valencia cero, pues no formancompuestos qumicos. Su capacidad de combinacin es cero.

La idea central de Lewis y Kossel fue relacionar el nmero de electrones de valenciaen cada elemento con la columna de la tabla peridica en la que se encuentran. Es decir,proponen que los elementos de la primera columna tienen un electrn de valencia, los dela segunda dos y as, sucesivamente, hasta los gases nobles, con ocho. Por qu entoncesla valencia decae a partir de la cuarta columna? Acerqumonos un poco al modelo de Le-wis y Kossel.

La representacin de Lewis, llamada estructura de puntos o estructura de Lewis,contiene dos porciones fundamentales:

El llamado kernel (centro o ncleo en alemn) representado por el smbolo delelemento. El kernel contiene tanto al ncleo como a los electrones internos (losque no son de valencia y, por tanto, no participan en el enlace) y

Los puntos, que representan a los electrones de valencia. stos se colocan alre-dedor del smbolo, en los vrtices de un cuadrado imaginario (la representacininicial de Lewis fue la de un cubo, por contar esta figura con ocho vrtices).

El nmero de puntos, o sea, el nmero de electrones de valencia, coincide con la co-lumna en la que se encuentra el elemento en la tabla peridica. Cuando hay ms de cuatroelectrones de valencia se acostumbra acoplar los electrones por pares. En la tabla 4.9 semuestran las estructuras de Lewis de los elementos del primer perodo de la tabla: hidr-geno y helio. En forma similar, en la tabla 4.10 se colocan las estructuras de Lewis de loselementos del segundo perodo.

Tabla 4.9Estructuras de Lewis de los elementos del primer perodo de la tabla peridica.

Smbolo H He

Electrones de valencia 1 2Estructura De Lewis H He

Para describir al enlace, tanto Lewis como Kossel proponen que los tomos, al com-binarse, tienden a terminar con el mismo nmero de electrones de valencia que los gasesnobles. Como todos los gases nobles tienen ocho electrones de valencia (con excepcindel helio que tiene slo dos), a esta propuesta se le conoce como la regla del octeto.

Tabla 4.10Estructuras de Lewis de los elementos del segundo perodo (tomadas de Gilbert N. Lewis,Journal of the American Chemical Society, 1916).

Electrones de valencia 1 2 3 4 5 6 7

.

Li Be B C N O F

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Para empezar, veamos cmo las estructuras de Lewis se utili-zan para escribir reacciones de formacin de compuestos inicos,como el LiF incluido en la figura 4.30. El electrn del litio setransfiere al flor. Queda por una parte el kernel del litio, cargadopositivamente, y el ion fluoruro, con su octeto completo.

En el esquema de Lewis, las mismas estructuras se emplean para representar enlacescovalentes. La formacin de la molcula de hidrgeno se puede observar en la figura4.31. Los dos electrones estn asociados o compartidos entre ambos ncleos. En este ca-so, cada tomo de hidrgeno tiene el mismo nmero de electrones que el helio, por lo quese cumple la regla de Lewis y Kossel.

De la misma forma que el hidrgeno, el flor puedeformar un enlace covalente con otro tomo de flor. La es-tructura de puntos del tomo de flor (ver tabla 4.10)muestra un electrn de valencia que no tiene par, es decir,que no est apareado. Cuando dos tomos de flor se apro-ximan, los electrones no apareados son compartidos por losdos ncleos y se forma un enlace covalente. As se obtienela molcula F2, como se observa en la figura 4.32. De estaforma, ambos tomos tienen ocho electrones de valencia yse cumple la regla del octeto.

La estructura de Lewisdel flor se encuentraen la tabla 4.10 y ladel magnesio es simi-lar a la del berilio, porpertenecer al mismo

grupo (el 2) de la tabla peridica. En general, los ele-mentos del mismo grupo en la tabla peridica tienenigual nmero de electrones de valencia.

Al consultar la tabla 4.10, que contiene las electro-negatividades de Pauling, constatamos que es muy alta

la diferencia, en este casoF Mg 4.0 1.2 2.8, por lo que esperamosun enlace inico.

El magnesio puedeperder sus dos electrones de valencia y entregarlos ados flores, para que ambos completen su octeto. Losiones que se forman son un Mg2 y dos F1. La reac-cin de formacin del fluoruro de magnesio se da en lafigura 4.34.

Vemos que el modelo de enlace inico y el patrnde estructuras de Lewis nos puede llevar a la frmulacorrecta del compuesto, que en este caso es MgF2.

CMO SE RESUELVE?:Estructuras de Lewis

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INTRODUCCIN

Para Kossel, el octeto de electrones se logra mediante la prdida de electrones enun tomo y la ganancia de electrones en el otro, lo que da lugar a los iones corres-pondientes. Por su parte, Lewis abri la posibilidad de que los tomos compartanelectrones. De esta forma, podemos decir entonces que Kossel es el padre del en-lace inico y Lewis el del covalente.

Figura 4.30Reaccin de formacin delLiF, representada con es-tructuras de Lewis.

Li LiLiF F F [ ] [ ]

Figura 4.32Formacin de la molculade flor, representada conestructuras de Lewis.

Figura 4.31Reaccin de formacin delH2, representada con lasestructuras de Lewis corres-pondientes.

H + H H : H F F F F

Figura 4.34Esquema con estructurasde Lewis de la reaccin deformacin del fluoruro demagnesio.

F F F F [ ] [ ]Mg Mg2Escribe con estructuras de Lewis la reaccin de for-macin del fluoruro de magnesio.

Figura 4.33Estructura de Lewis delmagnesio.

Mg

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120 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

Para escribir las estructuras de Lewis

Para escribir las estructuras de puntos de un compuesto ms complicado, se pueden se-guir las siguientes reglas:

Observa el tipo y el nmero de tomos que tiene el compuesto, a partir de su fr-mula qumica.

Determina el nmero de electrones de valencia que tiene cada tomo, para locual puedes utilizar su posicin en la tabla peridica. Con esta informacin tam-bin conoces el nmero total de electrones de valencia que vas a utilizar paraconstruir la estructura de puntos.

Dibuja una propuesta de esqueleto para el compuesto. Para ello une los tomospresentes entre s con lneas rectas (stas representan pares de electrones com-partidos, o sea, enlaces sencillos). Este paso puede resultar difcil, ya que no escomn contar con suficiente informacin para esbozar el esqueleto. Sin embar-go, y a menos que tengas alguna otra informacin, asume que en molculas sen-cillas que tienen un tomo de un elemento y varios tomos de otro, el tomo ni-co est en el centro.

Coloca los puntos alrededor de los tomos de tal manera que cada uno tengaocho electrones (para cumplir con la regla del octeto). Recuerda que el hidrge-no es una excepcin y tan slo tendr dos puntos.

Verifica que el nmero total de electrones de valencia est plasmado en tu es-tructura. Si no es el caso, posiblemente se trate de un compuesto que no satisfacela regla del octeto (ve la seccin Limitaciones de la regla del octeto, en la pg.124).

Como un ejemplo del empleo de estas reglas, en la tabla 4.11 se resume la determina-cin de la estructura de puntos del cloroformo, CHCl3. El compuesto cumple con la regladel octeto y al completar los octetos de carbono y cloros nos encontramos con los 26electrones de valencia en total.

1) Escribe las estructuras de Lewis de los siguienteselementos a partir de su posicin en la tabla peri-dica:

a) bromo b) xenn c) fsforod) rubidio e) aluminio f) calcio

2) Utiliza estructuras de puntos para representar lareaccin de formacin de los siguientes compues-tos inicos, con sus frmulas correctas:

a) fluoruro de rubidio b) cloruro de aluminioc) bromuro de calcio

TE TOCA A TI:Estructuras de Lewis

Tabla 4.11Determinacin de la estructura de Lewis del CHCl3.

Electrones Nmero totalTipo y nmero de valencia de electrones Estructura Arreglo de

Molcula de tomos de cada tomo de valencia del esqueleto los puntos

C 1 4 .4CHCl3 C 1 C 4 H 1 1 .1

H 1 H 1 Cl 3 7 .21Cl 3 Cl 7 TOTAL .26

H

Cl

Cl C Cl

H

Cl

Cl C Cl

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CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 121

Enlaces doble y triple

En la formacin de un enlace covalente participan electrones que son compartidos entrelos dos tomos. Con las estructuras de puntos podemos determinar los tipos de enlaces(sencillos, dobles o triples) que se forman, bajo la premisa de que se cumple la regla delocteto. Hay que aclarar que, en ocasiones, el problema no resulta simple.

Para empezar, observa en la figura 4.35 cmo con un enlace doble puede explicarsela molcula de oxgeno, O2, y con uno triple la de nitrgeno, N2. Corrobora en las estruc-turas dadas que alrededor de cada uno de los tomos hay ocho electrones. Cuatro de ellosson compartidos por los dos tomos de oxgeno, formando un enlace doble en el O2. Sonseis los electrones del enlace triple en el N2.

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INTRODUCCIN

En el compuesto anterior, CHCl3, hay un tomo de car-bono y un tomo de hidrgeno. Por qu crees que sedecidi colocar al carbono como tomo central y no al

hidrgeno? Intenta escribir la estructura de Lewis deeste compuesto con el hidrgeno como tomo centralpara tratar de encontrar una respuesta.

TE TOCA A TI:Determinacin del esqueleto

Figura 4.35Para satisfacer la regla delocteto, se propone un enla-ce doble (de cuatro electro-nes compartidos) en la mo-lcula de oxgeno y uno tri-ple (con seis electrones quese comparten) en la mol-cula de nitrgeno.

NNOO

O2, oxgeno N2, nitrgeno

Tomemos ahora el caso del dixido de carbono (CO2) y tratemos de dibujar su es-tructura de puntos. En la tabla 4.12 se resumen la informacin necesaria y las estructurasposibles para esta molcula.

Tabla 4.12Determinacin de la estructura de puntos del CO2.

Tipo y nmero Electronesde tomos de valencia Nmero totalque forman de cada de electrones Estructura Arreglo

Molcula la molcula tomo de valencia del esqueleto de los puntos

CO2 C 1 C 4 C 1 4 .4 a)

O 2 O 6 O 2 x 6 .12 b)

TOTAL .16 c)

Si observamos las estructuras de puntos indicadas con los incisos a) y b), podemosnotar que en ninguna de ellas se cumple con la regla del octeto. En la a) ninguno de losoxgenos tienen ocho electrones a su alrededor, mientras que en la b) es el carbono el queno completa los ocho electrones. Sin embargo, en el inciso c) todos los tomos satisfacenla regla del octeto. En esta estructura, cada oxgeno comparte dos pares de electrones conel carbono. En este caso se forman dos enlaces dobles.

A los enlaces (las parejas, cuartetas o sextetas de electrones enlazantes) se acostum-bran representarlos en forma de lneas rectas. De esta forma, un enlace sencillo se plasmacomo una lnea, uno doble como dos lneas y uno triple como tres lneas (ver figura 4.36).

O C O

O C O

O C O

O C O

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122 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

Estas frmulas se conocen como frmulas desarrolladas de los compuestos. No slomuestran las proporciones relativas de cada tipo de tomo, sino la estructura de la molculaen cuestin y la naturaleza del enlace covalente.

Figura 4.36Estructuras del H2, el CO2 yel N2, en las que se utilizanlneas para representar ca-da par de electrones enla-zantes.

H H O C O N N

Un enlace covalente en el que se comparte un par de electrones es un enlace senci-llo. Un enlace covalente en el que se comparten dos pares de electrones es un en-lace doble. Un enlace covalente en el que se comparten tres pares de electrones esun enlace triple.

Distancia de enlace

Como en los enlaces triples hay ms electrones compartidos que en los dobles, y en stosque en los sencillos, la distancia que separa los dos ncleos es diferente en cada caso.

La informacin sobre las distancias de enlace en una molcula diatmica o poliat-mica puede obtenerse mediante la espectroscopa rotacional, que registra la energa ne-cesaria para que las molculas roten. Piensa en una mancuerna para hacer pesas y estimacuando es ms fcil hacerla rotar, si cuando la distancia entre las pesas es de 10 cm o de100 cm. En efecto, el momento de inercia, que depende de las masas y de la distancia en-tre ellas, es una variable crucial en el movimiento rotacional. Mediante esta tcnica se hanobtenido las distancias de enlace que se renen en la tabla 4.13.

Tabla 4.13Distancias de enlace (en ) entre tomos del segundo perodo, en molculas que contienen enlaces sencillos, dobles y triples.

Enlace Distancia ()

NN 1.45N=N 1.23NN 1.09CC 1.54C=C 1.34CC 1.20OO 1.48O=O 1.21

La conclusin inmediata que se obtiene de esta tabla es que los enlaces sencillos sonms largos que los dobles, y stos que los triples. La interpretacin es que los dos n-cleos, cargados positivamente, pueden acercarse ms cuando existen ms electrones com-partidos en la zona del enlace.

1. Escribe la estructura de Lewis del HCN. Toma encuenta la regla del octeto para decidir cul es eltomo que va en el centro.

2. En los cidos orgnicos, que introduciremos unpoco ms adelante, existen dos tipos de enlace car-

bono-oxgeno. Los datos de distancia de enlace enel cido frmico, HCOOH, obtenidos por espec-troscopa rotacional son 1.202 y 1.343 . Culcorresponde al enlace sencillo y cul al doble?

TE TOCA A TI:Enlace sencillo, doble o triple

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CAP TU LO 4 El enlace y los compuestos qumicos 123

Iones poliatmicos

Existen especies qumicas poliatmicas que tienen una carga neta. A pesar de que se tratade iones, los enlaces entre los tomos son de tipo covalente. Como ejemplos estn el ionamonio, NH4

, y el carbonato, CO32.

Para escribir sus estructuras de Lewis se procede de igual forma que en los compues-tos neutros, pero se considera la carga del ion al determinar el nmero total de electronesde valencia. Cuando la especie tiene carga negativa, se suman los electrones correspon-dientes. Por el contrario, si es un catin, stos se restan. En la tabla 4.14 se resume la in-formacin necesaria para construir la estructura de puntos del ion perclorato, ClO4

.

CAPTULO

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INTRODUCCIN

Tabla 4.14Determinacin de la estructura de puntos del ClO4.

Tipo y nmero Electrones Nmerode tomos de valencia total deque forman de cada electrones Estructura Arreglo

Molcula la molcula tomo de valencia del esqueleto de los puntos

ClO4 Cl 1 Cl 7 Cl 1 7 .7

O 4 O 6 O 4 6 .24

Carga ion .1

TOTAL .32

Procede a construir las estructuras de puntos de los io-nes amonio, NH4

+, y carbonato, CO32.

TE TOCA A TI:Iones poliatmicos

Estructuras resonantes

En algunas ocasiones es necesario entrar en consideraciones especiales para representaradecuadamente a un compuesto o una especie qumica. Tomemos el ejemplo del ion nitri-to, NO2

. Podemos escribir la estructura de puntos para este ion de dos formas distintas,como se indica en la figura 4.37.

Figura 4.37Posibles estructuras de pun-tos del ion NO2.

N N

O OO O

Ambas estructuras cumplen la regla del octeto. Cmo decidir en qu oxgeno sepresenta el doble enlace y en cul el sencillo? La informacin disponible acerca de lasdistancias de enlace nos indica que ambos enlaces NO son iguales, y que no correspon-

O

O

O Cl O

O

O

O Cl O

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den ni a un enlace sencillo ni a uno doble, sino a un enlace intermedio. En realidad, loque ocurre es que ambas estructuras resonantes son posibles y que existe un incesantereacomodo de los electrones para dar ambas al mismo tiempo. El doble enlace est repar-tido entre las dos estructuras. Para describir esta situacin se utilizan los hbridos de reso-nancia, como se indica en la figura 4.38.

Limitaciones de la regla del octeto

Como todo modelo, las estructuras de Lewis y la regla del octeto son solamente una he-rramienta que permite proponer la estructura de los compuestos. Sin embargo, la natura-leza es complicada y no siempre se cumplen las reglas inventadas para simplificarla. Haycompuestos que no satisfacen la regla del octeto ni ninguna otra regla. Por ejemplo el

NO, subproducto de la combustin de la gasolina en losautomviles y uno de los contaminantes ms importantesde la atmsfera, tiene 11 electrones de valencia. Dado quela regla del octeto demanda que los electrones se acomo-den por pares, al tener un nmero impar de electrones devalencia, este compuesto no puede satisfacerla.

Existen compuestos estables que tienen como tomocentral a uno con menos de ocho electrones. Tal es el casode algunos compuestos de boro, como el trifloruro de bo-ro. El boro tiene tres electrones de valencia, que al com-partirse con los electrones del flor completa seis electro-nes a su alrededor. (Ver figura 4.39).

Podramos escribir la estructura del BF3 con un enla-ce doble entre un flor y el tomo de boro, como en lafigura 4.40. De esta forma tanto el boro como los tres flo-res cumpliran la regla del octeto. Sin embargo, la eviden-cia experimental indica que los enlaces entre el boro y elflor son sencillos. Aqu es importante resaltar que la evi-dencia experimental es ms importante que lo que se pue-da predecir con la teora. As, el experimento indica que elcompuesto BF3 se tiene que tratar como un compuesto que

no satisface la regla del octeto.La regla del octeto no se cumple en una gran

cantidad de compuestos, como en aqullos en losque participan el boro o el berilio a los que se lesllama compuestos deficientes de electrones, por-que tienen menos electrones de valencia que unocteto.

Existen otros compuestos formados por to-mos con ms de ocho electrones de valencia. Elfsforo y el azufre son dos ejemplos. El fsforotiene cinco electrones de valencia y el azufre seis.Cuando se combinan con algn elemento de la fa-milia de los halgenos (flor, cloro, bromo e yodo)pueden compartir 10 (Ej. PF5) y hasta 12 electro-nes. (SCl6). (Ver figura 4.41).

A esta situacin se le conoce como expansindel octeto.

124 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

Figura 4.38Hbrido de resonancia querepresenta que cada enla-ce nitrgenooxgeno noes doble ni sencillo, sino in-termedio y en el que la car-ga no se sita en un oxge-no en particular.

N

OO

Figura 4.41Estructura de Lewis del pentacloruro de fsforo y el hexafluoruro de azufre.

Cl Cl

ClCl

Cl

F

F

F

F

F

F

P

S

Figura 4.39Estructura de puntos delBF3. Para tener facilidad enidentificarlos se han pinta-do redondos los electronesdel boro y con cruces losdel flor.

F

FB

F

Figura 4.40Estructura de puntos del BF3con un doble enlace entreun tomo de flor y el to-mo de boro.

F

F

BF

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Los conceptos de Lewis y Kossel sobre la estabilidadde los gases nobles, debida a sus ocho electrones en lacapa de valencia, hicieron que durante muchos aos nisiquiera se pensara en la posibilidad de formar com-puestos de estos gases.

No obstante, en 1962, el qumico estadounidenseN. Bartlett descubri que el hexafluoruro de platino,

PtF6, poda reac-cionar con el xe-nn y formar XeF4y XeF2. Por pri-mera vez se obte-nan molculas delos gases nobles.

Las tcnicas experimentales para sintetizar loscompuestos de los gases nobles se conocan 30 aosantes de que se prepararan dichos materiales. Simple-mente no se utilizaron porque se pensaba que no tenasentido hacer el esfuerzo.

Hasta el momento slo se han podido aislar com-puestos de Xe y Kr enlazados a tomos mu