enlace quim teoria ejer y prob

7/24/2019 Enlace Quim Teoria Ejer y Prob

1/24

1

UNIDAD III

ENLACE QUMICO Y FORMA DE LAS MOLCULAS

INTRODUCCIN

Mientras que slo hay alrededor de 118 elementos catalogados en la tabla peridica,

obviamente hay ms substancias en la naturaleza que los 118 elementos puros. Sin embargo,

hay que considerar que en la tabla editada en 2004 por la UIPAC (Unin Internacional de la

Qumica Pura y Aplicada) aparece el elemento 118, pero tanto este elemento como el 111,112, 114, y el 116 son muy inestables y de tiempo de vida muy corto (de 30 seg. hasta unos

cuantos microsegundos), por lo que resulta muy difcil conocer sus pesos atmicos o

propiedades, y por lo tanto aun no cuentan con nombre propio aceptado internacionalmente.Hasta la presente fecha no se ha reportado la sntesis u obtencin de los elementos que

ocuparan las posiciones 113, 115 y 117. En conclusin podemos sealar que en la tabla

peridica actual se encuentran registrados 115 elementos, la mayora de origen natural yunos pocos de origen sinttico. La abrumadora superioridad de compuestos que existen en la

naturaleza comparado con el nmero de elementos conocidos se debe a que los tomos

pueden reaccionar unos con otros para formar nuevas substancias. Un compuestose formacuando dos o ms tomos se enlazan qumicamente. El compuesto que resulta de este enlace

es qumicamente y fsicamente nico y diferente de sus tomos originarios.

Miremos un ejemplo. El elemento sodio es un metal de color plateado que reacciona tanviolentamente con el agua que produce llamas cuando el sodio se moja. El elemento cloro es

un gas de color verdoso que es tan venenoso que fue usado como un arma qumica en la

Primera Guerra Mundial. Cuando estos reactivos qumicos se enlazan, estas dos peligrosas

substancias forman un compuesto, el cloruro de sodio (NaCl). Este es un compuesto taninofensivo que lo comemos todos los das - la sal de mesa comn!

+

Metal de sodio Gas de Cloro sal de mesa

Naturaleza del Enlace Qumico

Cuando se acercan dos tomos mutuamente se ejercen varias fuerzas entre ellos. Algunas de

estas fuerzas tratan de mantener los tomos unidos, otras tienden a separarlos. En la mayora

de los tomos, con excepcin de los gases nobles, las fuerzas atractivas son superiores a las


2/24

2

repulsivas y los tomos se acercan formando un enlace. De all que se puede decir que unenlace qumicoes la fuerza que mantiene unidos a los tomos en una molcula, o bien, a lacomparticin de REEMPES, comparticin de orbitales atmicos, o formacin de orbitalmolecular de enlace (OM). Como se ha mencionado, una REEMPE se describe como laregin o espacio energtico de manifestaciones probabilsticas electrnicas, que en pocas

palabras se puede traducir como aquella regin en donde es ms probable que se encuentreun electrn.

Para que esta comparticin de orbitales se efecte ser necesario cumplir una de las siguientescondiciones:

1. Que los tomos posean orbitales a medio llenar.

2. Que los tomos a punto de unirse contengan; uno de ellos un orbital vaci y el otrotomo de unin un orbital completo.

Ejemplo:a) H + H H2, los tomos de hidrgeno poseen un solo e -cada uno.

b) H3N: + H+NH4

+ , el par de e-del nitrgeno podr compartirse con elprotn.

Divisin del Enlace Qumico

TEORA DESARROLLADA ANTES DE 1926.- En el ao de 1916 fueron descritosdos clases de enlaces;

- Enlace inicopor Walter Kossel, en Alemania.- Enlace covalentepor G.N. Lewis de la Universidad de California.

Ambos investigadores se basaron en el concepto de que el tomo contiene un ncleo cargadopositivamente y se encuentra rodeado por electrones que pueden ser acomodados en capas(refirindose a los posibles valores del nmero cuntico principal n); 2 en la primera, 8 en lasegunda, 8 o 18 en la tercera, etc.

TEORA DESARROLLADA EN 1926.- Fundamentada por E. Schrodinger, donde seacuaron los conceptos de orbital atmico y molecular.

ORBITAL MOLECULAR.- Los orbitales moleculares (OM) se consideran centrados entorno a muchos ncleos, cubriendo todo la molcula. La distribucin de ncleos yelectrones es la que da como resultado la molcula ms estable. Los orbitales molecularesobedecen todas las leyes o reglas normalmente relacionadas con los orbitales atmicos; esdecir, elprincipio Aufbau, la regla de Hundy elprincipio de exclusin de Pauli.


3/24

3

SIMPLIFICADORES:

a) Cada par de electrones se halla localizado cuando son enlazantes cerca de dos ncleossolamente.

b) Las formas de los OM o de los enlaces localizados, y su posicin con respecto a losdems, se relacionan de modo sencillo con las formas y disposiciones de los orbitalesatmicos en los tomos que componen la molcula.

En 1916, el qumico americano Gilbert Newton Lewis y el alemn W. Kossel propusieronque los enlaces qumicos se formaban entre los tomos porque los electrones de los tomosinteractuaban entre ellos. Lewis haba observado que muchos elementos eran ms establescuando ellos contenan ocho electrones en su envoltura de valencia. El sugiri que lostomos con menos de ocho valencias de electrones se enlazaban para compartir electrones ycompletar sus envolturas de valencia.

REGLA DEL OCTETO.- W. Kossel y G.N. Lewis propusieron un esquema para explicarel enlace entre los tomos, denominado la regla del octeto, la cual establece que:cuandose forma un enlace qumico, los tomos adquieren, ceden o comparten electrones, de talmanera que la capa ms externa o de valencia de cada tomo contenga 8 electrones

ESTRUCTURAS DE LEWIS.- El modo de atribuir los electrones ms externos o devalencia en una molcula se pueden representar mediante la llamada estructura de Lewiso frmula electrnicay sirve para ilustrar el enlace qumico (repasar el apartado 2.9.4.2de este material).

Ejemplo:

Mientras que algunas de las predicciones de Lewis han sido desde entonces probadas comoincorrectas (el sugiri que los electrones ocupaban orbitas en forma de cubos), su trabajoestableci la base de lo que se conoce hoy en da sobre los enlaces qumicos. Es por ello queahora sabemos que hay dos principales tipos de enlaces qumicos, inicos y - enlacescovalentes.

CH

H

HClCH

H

HH C C

H

H

H

H

ClorometanoMetano eteno o etileno


4/24

4

FORMACIN DE IONES

Los enlaces inicos se forman por la atraccin mutua de partculas de carga elctrica

opuesta; esas partculas, formadas cuando un electrn salta de un tomo a otro, se conocen

como iones.

Para muchos tomos, la manera ms simple de completar el nivel energtico exterior

consiste en ganar o bien perder uno o dos electrones. Al eliminar un electrn de un tomo desodio y formar un ion sodio se confiere al tomo de sodio una gran estabilidad al adquirir la

configuracin electrnica del gas noble nen, que tiene ocho electrones en su capa externa.

Si se le agregar un electrn a un tomo de cloro para producir un ion cloruro, ste tomoadquiere la configuracin electrnica externa del gas noble argn, que tiene ocho electrones

en su capa externa y que es bastante estable:

Todos los aniones monoatmicos tienen configuraciones electrnicas de gas noble. Sinembargo, no todos los cationes monoatmicos tienen configuracin electrnica de gas

noble. Por ejemplo, todos los elementos de transicin, excepto el paladio, tienen uno o dos

electrones en su capa externa. La diferencia en la configuracin electrnica entre un tomo

de un elemento de transicin y el siguiente, en un periodo de la tabla peridica, est en lapenltima capa externa. La mayor parte de los elementos en la primera serie de transicin

forma iones con carga +2. Veamos, por ejemplo, la formacin del xido de hierro (II):

Recuerda que los dos electrones 4s se separan antes que los electrones 3d, porque aleliminarlos primero se obtiene un ion de menor energa. Para el Fe

+2, la configuracin

electrnica [Ar]3d6tiene menor energa que la [Ar]4s

23d

4. El ion hierro (II), Fe

+2, no tiene

la configuracin electrnica de gas noble. Debido a que cada energa sucesiva de

ionizacin es mayor, se requerira mucho ms energa que la disponible en condiciones

ordinarias, para eliminar los ocho electrones externos del tomo de hierro. Sin embargo, nohay mucha diferencia de energa entre los orbitales 3d y el orbital 4s. En presencia de

oxgeno, el ion hierro (II) reaccionar rpidamente formando el ion hierro (III). Debe

Catin sodio Anin cloro

122222222

17

35.45

122222

11

22.98

3p3p3p3s2s2s2s2s1sCl

3s2s2s2s2s1sNa

,;,,,;

;,,,;


5/24

5

separarse el tercer electrn de la subcapa 3d, porque en la cuarta capa ya no quedan ms

electrones:

En la tabla 27 se presentan algunos ejemplos de iones. Se le denomina in monoatmicoalque est formado por un solo tomo, e in poliatmicoal que est constituido por dos o ms

tomos. A su vez, los iones mono y poliatmicos pueden ser monovalentes, cuando solo

tienen una carga positiva o negativa, o polivalentes cuando tienen ms de una carga neta

positiva o negativa. El anin tiene carga negativa neta, y el catin carga positiva neta. Lostomos de un in poliatmico se mantienen unidos por enlaces covalentes.

TABLA 27. Ejemplo de iones positivos y negativos, y su procedencia.

ANIONES CATIONES +Procede In Nombre Procede In NombreHF F fluoruro Li Li+ litio

HI I yoduro Hg Hg22+ mercurio (I)

H3PO4 HPO42 hidrogenofosfato Cu Cu + cobre (I)

H3PO3 PO3 fosfito Cu Cu + cobre (II)

H4P2O7 P2O74 difosfato Pb Pb4+ plomo (IV)

ENLACE IONICO, ELECTROVALENTE O SALINO

Se denomina enlace inicoal enlace qumico de dos o ms tomos cuando stos tienen unadiferencia de electronegatividad de 1.7 mayor (ver apartado 3.6.4 de este material). Por

ejemplo, el sodio tiene una electronegatividad de 1.0 y el cloro de 2.8 en la escala de Pauling,

la diferencia de 3.8 1.0 = 1.8, nos dice que el enlace es IONICO. En una unin de dostomos por enlace inico, un electrn abandona el tomo menos electronegativo (en el

ejemplo anterior es el caso del sodio) y pasa a formar parte de la nube electrnica del mselectronegativo. De esta manera se forman dos iones de carga contraria: un catin (de carga

positiva, Na+) y unanin (de carga negativa, Cl-).

La diferencia entre las cargas de los iones provoca entonces una fuerza de interaccinelectromagntica o fuerzas electrostticas entre los tomos que los mantiene unidos, que

son la base del enlace inico. Los compuestos resultantes son por lo regular slidos. Tales

Na Na+Cl Cl-


6/24

6

compuestos se denominan slidos inicos. El cloruro sdico forma cristales con simetra

cbica (fig. 48). Los cloruros (iones ms grandes) forman un empaquetamiento cbico

compacto, mientras que los iones ms pequeos de sodio llenan los espacios octadricosentre los cloruros. Cada ion est rodeado por seis iones del otro elemento. Esta estructura es

muy comn en varios otros minerales, y se la conoce como estructura halita.

Note que cuando el sodio pierde su electrn de valencia, se hace ms pequeo, mientras que el cloro se hace ms

grande cuando gana una valenciade electrn adicional. Esto es tpico de los tamaos relativos de iones a tomos.

Caractersticas del Enlace Inico

Un aspecto importante dentro de los enlaces qumicos inicos es el de las fuerzas repulsivaselctricas, las fuerzas que mantienen la estructura con el ndice de ordenacin indicado es

debido a la fuerza de Coulomb, muy intensas, lo cual permite puntos de fusin elevados, para

fundir un cristal inico se hace necesario deshacer la red cristalina, es decir separar los iones.

En la solucin, los enlaces inicos pueden romperse y se considera entonces que los ionesestn disociados (fig. 49). Es por eso que una solucin fisiolgica de cloruro de sodio y agua

se marca como "Na++ Cl

-" mientras que los cristales de cloruro de sodio se marcan "Na

+Cl

-" o

simplemente "NaCl".

Figura 49. Cloruro de sodio disuelto en H2O

El rompimiento de enlaces de este tipo implica un aporte de energa trmica, el cual ha de serigual a la energa reticular.La energa reticulares la energa desprendida en la formacin de

Figura 48. Representacin de la estructura cristalina del NaCl. Lasbolas verdes representan al cloro y las bolas pequeas al sodio. Las

lneas rojas representan las fuerzas electrostiticas


7/24

7

un mol de compuesto inico slido a partir de los ines en estado gaseosos. De estaobservacin se desprende una consecuencia directa, entre mayor es la energa reticularmayor es el punto de fusin. Las fuerzas que aparecen cuando las distancias son reticulares oinferiores a estas, hacen que debido a las fuerzas repulsivas intensas los cristales inicos seanpoco comprensibles. La distancia reticularse puede definir como; distancia a la que quedan

en la red dos iones de signo contrario. Cuando los compuestos inicos son fundidos losiones, partculas cargadas mviles, conducen bien la electricidad, algo que podramosobservar en las disoluciones acuosas. Dentro de las caractersticas ms importantes de loscompuestos inicos se encuentran el hecho de altos puntos de fusin, generalmente, mayor a400C, gran cantidad de estos compuestos son solubles en disolventes polares como el agua,por el contrario, la mayora es insoluble en disolvente no polares como el hexano. Enresumen, los cristales o compuestos con enlaces inicos se caracterizar por las siguientespropiedades:

Los enlaces inicos se forman entre metales y no metales. Altos puntos de fusin y ebullicin. Una vez fundidos o en solucin acuosa suelen

conducir la electricidad. La mayora son solubles en disolventes polares. Mientras que la mayora son

insolubles en disolventes no polares. Al nombrar compuestos inicos simples, el metal siempre viene primero, el no metal

segundo (por ejemplo, el cloruro de sodio),

Formacin de Compuestos Inicos

Generalmente, un elemento alcalino o del Grupo IA (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) y un elementohalgeno o del Grupo VIIA (F, Cl, Br, I), formarn cristales inicos. Algunos compuestos que

mantienen enlaces inicos son; NaCl (cloruro de sodio), LiF (fluoruro de litio), KBr (bromurode potasio), NaF (fluoruro de sodio), KI (yoduro de potasio), CaO (xido de calcio), MgO(xido de magnesio), BeO (xido de berilio), MgS (sulfuro de magnesio), BaS (sulfuro debario), RbSe (selenuro de rubidio).

Como se puede observar en los ejemplos anteriores el enlace inico se da entre un metal y unno metal. Como sugeriran los conceptos vistos con anterioridad; energa de ionizacin,electronegatividad y afinidad electrnica, el enlace inico puede ocurrir fcilmente cuandoelementos que tienen energas de ionizacin bajas (metales) reaccionan con elementos de altaelectronegatividad y con afinidades electrnicas muy negativas (no metales). Debido a lanaturaleza de este tipo de enlace, los iones formados no constituyen una molcula de uno o

ms iones negativos o positivos. En cambio cada ion positivo est rodeado por iones negativosy viceversa.

Por lo anterior, la frmula para un compuesto inico, como la del cloruro de sodio (NaCl), noindica que un ion de sodio se combina con un ion de cloruro, pero s que la relacin entre elion sodio y el ion cloruro es de un Na+por un Cl-. Por tanto, cuando se habla de compuestosinicos, normalmente se utiliza el trmino unidad frmula y la masa relativa de sta debeexpresarse como peso-frmula. Sin embargo, el trmino peso molecular se usa a menudo para


8/24

8

cualquier tipo de compuesto. La forma como estn ordenados los iones positivos y negativosen un compuesto inico depende principalmente del tamao y la carga del ion. La atraccinelectrosttica entre iones individuales es ms bien una interaccin dbil, pero en la estructuracristalina formada, cada ion est rodeado por varios iones de carga opuesta, lo que hace que lafuerza de enlace en los compuestos inicos sea muy fuerte.

ENLACE COVALENTE

El enlace covalente consiste en el compartimiento de pares de electrones por dos tomos,dando lugar a molculas y puede ser polar o no polar.

El enlace covalente puede dar lugar a compuestos slidos cristalinos de malla rgidatridimensional que une a cada uno de los tomos con todos los dems, en los que la totalidaddel cristal es una sola molcula (p. ej., el cuarzo y el diamante), o bien a molculas discretasque, en estado slido, estn unidas por fuerzas intermoleculares y reciben el nombre de

cristales moleculares. Estos compuestos, en cualquiera de los estados de agregacin, estnformados por las mismas molculas y slo se diferencian en la ordenacin de stas.

El modelo de enlace entre iones no se puede utilizar para explicar la unin entre cualquierpareja de tomos. Si dos tomos son iguales, no existe ninguna razn que justifique que uno deestos tomos se transforme en in. Para justificar estas situaciones se utiliza otro modelo deenlace. Cuando los tomos que forman un enlace comparten sus electrones con la finalidad decumplir con la regla del octeto, se forma un enlace. El tipo de enlace que se observa en lamolcula de hidrgeno y en otras molculas en que los electrones son compartidos por los dosncleos se llama enlace covalente. En la molcula de H2los electrones residen principalmenteen el espacio entre los ncleos en donde son atrados de manera simultnea por ambos

protones (fig. 50). El aumento de fuerzas de atraccin en esta zona provoca la formacin de lamolcula de H2 a partir de dos tomos de hidrgeno separados. La formacin de un enlaceentre los tomos de hidrgeno implica que la molcula H2O, ver figura 51, es ms estable pordeterminada cantidad de energa, que dos tomos separados (energa de enlace).

Figura 50. Formacin de la molcula de hidrgeno medianteenlace covalente puro.


9/24

9

En la actualidad existen dos teoras para explicar el enlace covalente: la Teora del Enlace deValencia y la Teora de Orbitales Moleculares. Es preciso hacer notar que ninguna de las dosteoras es "mejor" que la otra, y que cada una de ellas puede ser ms adecuada en funcin delparmetro, del clculo o de la propiedad que se est estudiando. As, por ejemplo, si se trata dedeterminar la geometra molecular o la energa de disociacin, propiedades del estadofundamental de la molcula, es ms conveniente emplear la Teora del Enlace de Valencia. Encambio, si se trata de explicar las propiedades espectroscpicas, es preferible emplear laTeora de Orbitales Moleculares. En realidad ambas teoras son incluso complementarias,hasta tal punto que no utilizar ambas supondra limitar las herramientas disponibles para elestudio del enlace.

La Teora del Enlace de Valencia fue la primera teora, basada en la mecnica cuntica, que sedesarroll para explicar el enlace en las molculas covalentes. Se puede considerar queexpresa el concepto de Lewis del enlace en trminos de las funciones de ondas. En 1927,Heitler y London propusieron un tratamiento mecano-cuntico para la molcula de hidrgeno,que fue posteriormente desarrollado por investigadores como Pauling y Slater, entre otros.

La Teora de Orbitales Moleculares es la segunda aproximacin al estudio del enlacecovalente, y la ms ampliamente empleada para explicar la estructura y la geometra demuchos slidos inorgnicos. El punto de partida consiste en asumir que si los dos ncleosimplicados en el enlace se ubican a la distancia de equilibrio, los electrones se alojarn no enorbitales atmicos de cada elemento, sino en orbitales moleculares, que son anlogos a losatmicos, y que presentan caractersticas similares, como se ver ms adelante. Esta analogaes de tal grado que al igual que ocurra con los tomos polielectrnicos, no es posible resolverla ecuacin de Schrdinger de forma exacta para la molcula, y de nuevo hay que recurrir amtodos aproximados para conocer la forma de las funciones de onda que representen losmencionados orbitales moleculares.

Figura 51. Representacin de la formacin de lamolcula de agua por enlaces covalente polar. Las letrassignifican parcialmentenegativo o positivo (segn elsigno)


10/24

10

Formacin del enlace covalente por el mtodo del OM.

Un enlace se forma por la superposicin o fusin de dos orbitales atmicos (OA), uno decada tomo participante. Sin embargo, esto ocurre nicamente cuando las fases o signosde los mismos son iguales. Esta superposicin produce un nuevo orbital denominado

orbital molecular de enlace (fig.52). Cuando las fases o signos que corresponden a los OA son opuestos, resultan los orbitalesmoleculares de antienlace ( OM*)

El OM* tiene un nodo (regin imaginaria sin densidad de electrones) entre los tomos ypor consiguiente tiene una energa mayor que las de los orbitales atmicos individuales.

La superposicin cabeza a cabeza de los OA (Pi) da un OM sigma (), la lneaimaginaria que une los ncleos de los tomos enlazantes es el eje de enlace cuya longitud,es la longitud del enlace (propiedad fsica).

La longitud de enlace puede ser estimada; por comparacin, clculo terico, o porcristalografa de rayos x.

Dos orbitales p paralelos se superponen lado a lado para formar un enlace , o el

correspondiente de antienlace, * .

TIPOS DE ENLACE COVALENTE

- PURO.- Se presenta cuando dos tomos del mismo elemento se acercan interactuandoentre sus reempes y ncleos. Los pares de electrones de unin sern equivalentes en sudistribucin respecto a la nube del OM resultante, se considera junto con el inico comoenlace extremo.

Ejemplo:Los enlaces entre tomos del mismo elemento como; H2, Br2, y O3.

- POLAR.- Resulta cuando dos tomos distintos y diferente electronegatividad (no muygrande) se unen qumicamente por comparticin de reempes, el elemento que posee masalto valor de electronegatividad deforma la reempe de enlace, la desplaza hacia la vecindadde su ncleo y causa una deficiencia de reempe en el tomo de menor electronegatividad,dando como resultado que la molcula posea dos polos.

Ejemplo:

Los enlaces en los cidos HCl y HI.

- COVALENTE COORDINADO.- Resulta cuando dos o ms tomos se enlazanqumicamente, dichos elementos combinados, tienden a presentar configuracinelectrnica estable, es decir, de adoptar la configuracin del gas noble correspondiente.

Ejemplo:

Los enlaces donde una sola especie proporciona el par de e-, como el NH4+ y AlCl4

-.


11/24

11

Orbital molecular de

antienlace; * (OM*)


enlace; (OM)


enlace; (OM)


antienlace; * (OM*)


antienlace; * (OM*)


enlace; (OM)

pA pB

pBpA

sA sB

FUERZAS INTRA E INTERMOLECULARES

Fuerzas Intramoleculares

Cuando dos o ms tomos se ligan entre s, se originan entre los ncleos y los electrones,fuerzas intramoleculares. Lo ms importante de stas es la fuerza covalente.

Al ligarse un tomo con otro, los orbitales de cada uno se interpenetra a un lmite mximo dedistancia entre los ncleos. Esta distancia corresponde al momento en que las fuerzas derepulsin y atraccin entre los electrones y el ncleo alcanzan el estado de equilibrio. En elcaso de una molcula como el F - F (F2, flor), las fuerzas intramoleculares son la fuerzacovalente de su enlace. En caso de la molcula de Br - Cl, las fuerzas que se crean son de dosclases:

a) la fuerza covalente entre los dos tomos para compartir el par de electrones.

Figura 52.- Esquemas tericos que muestran la formacin de los orbitales moleculares de enlace (OM) y antienlace(OM*). Los OM* resultan de mayor energa debido a que se genera un nodo (ausencia total de densidad electrnica)entre los dos ncleos participantes. Los OM resultan de menor energa ya que estabilizan a las entidades

participantes.


12/24

12

b) la fuerza de carcter inico, debida a la diferencia de electronegatividad entre elcloro y el bromo, que originan polos con cargas opuestas, las cuales se atraen entres.

Las fuerzas intramoleculares (dentro de la molcula) covalentes solo en parte tienen que vercon las propiedades fsicas, punto de ebullicin (p.e.), punto de fusin (p.f.), solubilidad, etc.de los compuestos.

Fuerzas Intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares son todas aquellas fuerzas que ligan una molcula con otra. Sonfuerzas de atraccin electrosttica entre los polos opuestos de dos molculas idnticas odiferentes. Se pueden considerar dos tipos de fuerzas intermoleculares (ver figura 53):

1. Fuerzaspolares;dipolo-dipolo y los enlaces por puentes de hidrgeno.2. fuerzas de Van der Waals..

Las ms importantes son las polares. Estas originan grandes interacciones entre las molculaspolares ya que la zona o polo negativo de una molcula es atrada por el polo positivo de otramolcula semejante o diferente.

ENLACE POR PUENTE DE H.- Se presenta entre los tomos de H enlazados aelementos fuertemente electronegativos, y los pares de e- no enlazantes de elementosvecinos con alta electronegatividad, establecindose interacciones dipolo-dipolo. Puedenser intermoleculares (entre molculas) o intramoleculares (en una misma molcula).

(a)

(e)

(b)

(d)(c)

H

HO

OH

HH H

O

H F F HH NaCl NaClNaCl NaCl

NaCl NaCl

Figura 53. Los ejemplos a, b, c, y d de esta figura describe enlaces intermoleculares y el ejemplo e muestra unenlace intramolecular. En a, b y c se forman enlaces por puentes de hidrgeno y en d se generan interaccionesdipolo-dipolo. En el compuesto orto-nitrofenol, compuesto del ejemplo (e), se forman enlaces por puentes dehidrgeno intramolecular.

H

HO Na Cl

OH

H

O O

HNO


13/24

13

ENLACE METLICO.- Por su baja electronegatividad, los metales no pueden atraer confuerza un par e-de enlace, lo que significa que ser imposible que los metales se unan porcomparticin de reempes llenas (covalentes puros). Ejemplos; todos los metales puros(mercurio, litio, sodio, cobre, etc.).

- Los metales tienden a actuar como iones positivos en las uniones, por lo que nopueden unirse por enlace inico. Los metales se unen debido a los e- sinposicin fija alrededor de los ncleos.

FUERZAS DE VAN DER WAALS.- Estas fuerzas, mucho ms dbiles que las anteriores,son de gran importancia para los compuestos saturados, no polares, como los alcanos.

Al chocar dos molculas de un compuesto no polar, los electrones externos de la molcula sondesplazados hacia una zona de la misma, volvindola negativa mientras que al lado contrariose origina una zona positiva. Estos centros de carga son muy dbiles, pero permiten que lasmolculas se atraigan o liguen unas a otras. La presencia de las fuerzas intermoleculares de

Van der Waals en los compuestos saturados no polares ( como en los alcanos ), constituyenuna buena explicacin de las bajas propiedades fsicas de estos hidrocarburos.

ORBITALES HIBRIDOS

Los orbitales atmicos hbridos pueden ser considerados como estados tericos para ladescripcin y justificacin de la estructura, propiedades y formacin de las molculas. Lasecuencia propuesta para que el proceso de hibridacin tenga lugar es el siguiente:

Estado basal Excitacin Hibridacin Reacomodo

Se entiende por estado basal como aquel estado donde el tomo se encuentra en su mnimasituacin energtica, estado netamente terico, para explicar las propiedades de los enlacesqumicos.

La excitacin atmica se refiere al momento cuando el tomo recibe energa externaproveniente de radiaciones, choques energticos o cualquier otra fuente. El trmino excitacinno es terico en su contexto, sin embargo tambin se agrega a la secuencia de explicacionestericas durante descripcin del proceso de la hibridacin.

La hibridacin, aplicado a la teora de enlace - valencia, en su definicin describe la

procedencia de un orbital nuevo a partir de dos o ms orbitales distintos. Esto significa que siun orbital s se excita desde su estado basal y se mezcla con un orbital p, los 2 nuevosorbitales sern la mezcla sp , y por ltimo en la nueva regin o espacio de los electronesocurrir un reacomodo electrnico y un cambio energtico.


14/24

14

Propiedades de los nuevos orbitales hbridos

Resultan ms direccionales que el s o el p, y son exactamente equivalentes, o sea, sern dela misma energa.

Apuntan en direcciones opuestas alejndose al mximo entre s.

Las formas y ngulos de enlace que tienen lugar en los distintos orbitales hbridos son:- SP .- Lineales y con angulaciones internucleares de enlace de 180. La combinacin

del orbital s y del p da lugar a la formacin de 2 nuevos orbitales denominadoshbridos sp.

- SP2.- Se encuentran en un plano que incluye al ncleo atmico y dirigidos hacia losvrtices de un tringulo equiltero (molculas planas), presentan ngulos de enlace de120. La combinacin de un orbital s con dos orbitales p da lugar a la formacin de tresorbitales hbridos denominados sp2.

- SP

3

.- La molcula adopta una forma tetradrica o piramidal y presenta ngulos deenlace, en el caso de los hidrocarburos saturados sustituidos o no de 109.5. Lacombinacin de un orbital s con tres orbitales p da lugar a cuatro nuevos orbitalesdenominados sp3.

ENLACES MLTIPLES

Muchos tomos comparten ms de un par de electrones para alcanzar la configuracin de ungas noble. Cuando se comparten dos pares de electrones, el enlace covalente se llama enlacedoble; el que resulta de compartir tres pares de electrones se llama enlace triple.

El eteno o etileno, es un ejemplo de un compuesto con un enlace doble (problema modelo 14),en tanto que el etino o acetileno, C2H2, tiene un enlace triple su estructura y es el primercompuesto de la serie homloga de los alquinos. Para lograr un octeto de electrones alrededorde cada tomo de carbono, bien sea en el etileno o en el acetileno, se pueden dibujar lasestructuras de Lewis tal y como se presentan a continuacin:

a) Frmula desarrollada del eteno en donde los electrones se representan con puntosY con rayas. Cada raya es equivalente a dos electrones.

b) Frmula desarrollada del etino o acetileno en donde los electrones se igual que parael etileno.

C C

H

HH

H

C C

H H

H H

H :C:::C :H H C C H


15/24

15

PROBLEMAS MODELO

1. Sea el tomo de cloro:

(a) Cuntos orbitales puros existen?, (b) Cmo vara la energa de cada orbital?, (c) Cul es

la forma de cada orbital?.SOLUCIN:

(a)La distribucin electrnica del cloro es 1s22s2sp2x2p2y2p2z3s23p2x3p2y3p1z (5 orbitalespuros; 1s; 2s, 2p; 3s y 3p )

(b)La energa de los orbitales vara del centro hacia fuera del tomo. Por lo tanto, elorbital 1s tiene menor energa que el orbital 3p. Los orbitales de un mismo nivel o capaaun cuando sea de la misma nomenclatura presentan ligeras variaciones en energa.

(c)Existen 3 orbitales s en forma de esfera y seis orbitales p en forma de lazo, uno de losorbitales 3p posee un electrn sin aparear.

2. Describa la estructura del metano (CH4) con base a la teora de la hibridacin. Esquematicelos orbitales de los enlaces C - H. Asigne las distancias y ngulos internucleares de enlace.

SOLUCIN:

El carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia, dos de los cuales estn apareados en el orbital 2s y los

otros dos estn no apareados en distintos orbitales 2p. La configuracin correspondiente ser 1y1x

22 p2p221 ss .

El carbono necesita compartir cuatro enlaces, pero slo dos de sus electrones de valencia estn apareados. Losdos electrones 2s est ya apareados entre s en el mismo orbital, y no pueden ser compartidos en enlaces con otrostomos. Por lo tanto el carbono debe adoptar una configuracin electrnica distinta de la configuracin de estadofundamental. Haciendo pasar un electrn del orbital 2s lleno al orbital 2pz vacante, el carbono adopta la

configuracin de alta energa 1z1y

1x

12 2p2pp2s21s . En la configuracin de alta energa, el carbono tiene cuatro

electrones no pareados y puede formar cuatro enlaces con tomos de hidrgeno. Aunque se requieren 96kicalocaloras por mol (96 kcal/mol = 402 kilojuoules/mol) para desplazar el electrn 2s a un orbital 2p, la

prdida de energa es ms que compensada por la formacin de cuatro enlaces estables C - H en lugar de slodos. Puesto que la formacin de cada enlace C - H libera unas 100 kcal/mol de energa, cuando se forma CH4ocurre una liberacin neta de alrededor de 300 kcal/mol, frente a 200 kcal/mol que se liberan al formarse CH 2(comparativamente). Dado que en el estado excitado el carbono emplea dos tipos de orbitales (2s y 2p) paraformar los enlaces, podra esperarse que el metano tuviera dos tipos de enlace C - H. Sin embargo, muchas

pruebas indican que los cuatro enlaces C - H del metano son idnticos.

Linus Carl Pauling en 1931 demostr que un orbital s y tres orbitales p pueden combinarse matemticamente, ohibridarse, para formar cuatro orbitales atmicos equivalentes orientados en el espacio hacia los vrtices de untetraedro. Estos nuevos orbitales tetradricos se denominan hbridos sp3 (o SP3), debido a que se construyenmatemticamente a partir de una combinacin de tres orbitales p y un orbital s.


16/24

16

3. Describa la estructura del etileno (C2H4) con base a la teora de la hibridacin. Esquematice

los orbitales de los enlaces C - C, y C - H. Asigne las distancias y ngulos internucleares deenlace.

SOLUCIN:

Desde hace ms de 100 aos se reconoci que los carbonos del etileno slo pueden ser tetravalentes si estnunidos entre s por un doble enlace.

C4

H

H

109.5

ncleos de H

ncleo de C

H

H

Orbital 1s de cuatrotomos de H

Orbitales atmicos hbridos sp3,o sp3, en el carbono (mostradoslo con los lbulos principales),estructura tetradrica

Estructura del metano (CH4) que muestracuatro enlaces equivalentes (orbitales deenlace molecular s - sp3) y estructuratetradrica

Energa de enlace104 kcal/mol

Longitud de enlace1.10 A

Angulo de enlace109.5

H

H

H

HC

En este diagrama esquemtico se muestran los lbulos de los nuevos orbitales. Los mayores son losdenominados sp3y los pequeos son resultado del colapso del orbital primitivo, estos se desprecian.


17/24

17

Cuando se combina matemticamente el orbital 2s con slo dos de los tres orbitales 2p disponibles, el resultadoson tres orbitales hbridos llamados hbridos sp2, y un orbital 2p no hbrido permanece sin cambio. Los tresorbitales sp2 se encuentran en el mismo plano formando ngulos de 120 entre s, con el orbital p restante

perpendicular al plano sp2.

Al igual que los orbitales hbridos sp3, los hbridos sp2 se hallan fuertemente orientados en una direccinespecfica y pueden formar enlaces fuertes. Si dos carbonos con hibridacin sp2se aproximan entre s, es posibleque se forme un enlace sigma fuerte por superposicin sp2- sp2. Cuando esto ocurre, los orbitales p no hbridosde cada carbono tambin se aproximan mutuamente con la orientacin correcta para superponerse lado a lado afin de formar un enlace pi (). La combinacin de superposiciones sp2 - sp2 y pi 2p - 2p da por resultado lacomparticin de cuatro electrones y la formacin de un doble enlace carbono - carbono. Para completar laestructura del etileno slo se necesita que cuatro hidrgenos se unan por medio de enlaces sigma a los cuatroorbitales sp2restantes (dos para cada carbono).

La molcula de etileno que resulta tiene estructura planar con ngulos de enlace H-C-H y H-C-C- aproximadosde 120. Cada enlace C-H tiene longitud de 1.076 A y energa de 103 kcal/mol (431 kJ/mol).

Orbitales sp2

Carbono sp2

Enlace Pi ( )Enlace sigma ( )

Orbitales p

Carbono sp2 Doble enlace carbono-carbono

Enlace Pi ( )

C

H

H

H

H

Eteno o etileno (un alqueno)

C

121.7

1.076 A 116.6

1.33 A


18/24

18

4.4.3 MOMENTOS DIPOLARES Y POLARIDAD DE LAS MOLCULAS

Se ha visto que ciertos enlaces covalentes son polares. Debido a la polaridad de los enlacesindividuales, la totalidad de la molcula puede tener centros de carga positiva y negativaseparados; dicha molcula constituye un dipolo (dos polos), el cual se puede simbolizar por

medio de una flecha;

y como se puede observar, la flecha apunta hacia el polo negativo. As, la polaridad de las molculas

HF y HCl se pueden representar como sigue:

en donde la letra griega (delta) se usa para indicar que la transferencia electrnica no es completa y que existe

un cierto grado de comparticin electrnica. Las molculas no balanceadas elctricamente se denominanmolculas polaresy la extensin de la carga parcial se da en funcin del momento dipolar, , el cual se definecomo " el producto de la carga electrnica separada, Q,por la distancia entre los centros de cargas opuestas,

d,, o sea; = Q x d

La carga y la distancia son del orden de 10-10 ues (unidades electrostticas) y 10-8 cm,respectivamente, por lo cual los momentos dipolares son de aproximadamente 10 -18ues-cm.La unidad 1 E-18ues-cm se llama Debye (D). La polaridad de una molcula explica muchasveces su comportamiento fsico y qumico.

Una molcula diatmica puede ser polar o no polar dependiendo de si sus enlaces polares son

asimtricos o simtricos. Por ejemplo, la molcula de HCl es polar por ser asimtrica y ser laselectronegatividades de los dos tomos muy diferentes. Los enlaces Cl - Cl y H - H no sonpolares, por tanto, las molculas Cl2y H2no son polares y tienen un momento dipolar igual acero (= 0).

En general, las molculas poliatmicas poseen un diferente de 0 a menos que los diversosenlaces en las molculas estn orientados simtricamente y, por consiguiente, cancelenmutuamente su contribucin al general. As, las molculas simtricas CCl4y BF3 tienen iguales a 0 por anularse mutuamente los momentos de los enlaces; los enlaces C - Cl y B - Fson polares pero debido a la simetra de las molculas los momentos de los enlaces secancelan.

H - F o H - F H - Cl o H - Cl


19/24

19

FORMA DE LAS MOLCULAS: TEORA DE LA REPULSIN DEPARES DE e-DE LA CAPA DE VALENCIA (RPECV)

La estructura de las molculas, es decir, el arreglo espacial de los tomos en una molcula esde suma importancia en qumica. Para entender las propiedades de los compuestos es

necesario conocer la estructura de las molculas. Es posible predecir con precisin aceptablelas formas de las molculas de compuestos de los elementos o grupos principales aplicandoalgunos principios propuestos por Sidgwick, Gillespie y Nyholm.

En una molcula, el arreglo de los pares de e - alrededor de un tomo, ya sean compartidos(enlazantes) o sin compartir (electrones "n", o de no enlace), depende solamente del nmerode pares. Esta teora predice la forma de una molcula, tomando en cuenta la configuracinms estable de los ngulos de enlace dentro de ella.

La palabra "arreglo" se usa para designar las posiciones de los pares de e-; la palabra "forma"se usa para designar las posiciones de los ncleos atmicos. Los arreglos de los pares de

electrones son aquellos que se pueden predecir si se asume que los pares de e

-

se repelenmutuamente por lo que se alejan de tal manera que la distancia entre ellos sea la"geomtricamente mayor" .

Los arreglos de los pares de e- conducen a las "formas regulares" de las molculas cuandotodos los pares estn enlazados a otros tomos o grupos que son semejantes. Cuando lostomos o grupos son diferentes, o cuando algunas de las posiciones estn ocupadas por paresde e-n (pares solitarios), resultan desviaciones de las formas regulares (tabla 12 y 13).

Se denomina "covalencia" al nmero de enlaces covalentes formados por un tomo. Ejemplos:Dadas las siguientes frmulas estructuras se indicar la covalencia del tomo central y los

tomos enlazados perifricos.

La covalencia de los tomos centrales ser: N = 3; P = 3; S = 2; y Si = 4

La covalencia de los tomos perifricos ser: H = 1; Cl = 1; y F = 1

N H

HH

P H

ClCl

S

H H

Si

F

FF F


20/24

20

TABLA 12. Arreglo de los pares de electrones y formas de las molculas en estructuras regulares.

Nmeros depares de

electrones

Arreglo de los paressolitarios

Forma de lamolcula

Ejemplos

2 Lineal BeCl2(vapor)

3 Triangular BCl3

4 Tetradrico CCl4

5 Bipirmide trigonal PCl5

6 Octadrico SF6

7 Bipirmide pentagonal IF7

Cl Be Cl

C

Cl

Cl

ClCl

S

F

F

F

F

F

F

I

F

F

F

F

F

F

F

PCl

Cl

Cl

Cl

Cl

B

Cl

Cl

Cl


21/24

21

TABLA 13. Forma de molculas con pares solitarios de electrones, denominados comoelectrones; no compartidos, n, o de no enlace.

No. de pares de e- No. de pares solitarios Forma de lamolcula

Ejemplos

3 1 Forma V SnCl2

4 12

Piramidal trigonalForma de V

NH3H2O

5 123

Tetraedro irregularForma de TLineal

SF4ClF3ICl2

-

6 12

Piramidal cuadradaPlanar cuadrada

IF5ICl4

-

PROBLEMAS MODELO

4. Especificar en el SI (sistema internacional) la frecuencia (), longitud de onda (), y velocidad en el vacode : (a) la luz azul de = 500 nm; (b) una transmisin de radio FM de = 91.5 MHz.

SOLUCIN:

c = c = 3.0 E8m/s

a) Convirtiendo a metros (SI de unidades) los 500 nm; = 500 nm x 10-9m/nm = 500 E-9m

1149

8 100.610500

/100.3 sx

x

smxc

c) Se convierten a hertz los 91.5 MHz (la unidad hertz es s-1)

= 91.5 NHz x 106Hz/MHz = 91.5 x 106Hz

msx

smxc28.3

105.91

/100.36

8

5. Si la longitud de onda de un electrn es 5.0 A (5.0 x 10-10m), cul es la velocidad del electrn?. Recuerdeque la masa del e-= 9.1 E-28g.

SOLUCIN:


22/24

22

smscmcmg

scmg

scmg

serg

gcm

serg

m

h

/104.1/104.1

)/(

104.1

/cm-gergio1104.1101.9)(100.5(

1063.6

m

hdondede

6822

8

228288

27

6. Sea el magnesio (Mg) y la palta (Ag); indique con base a diagramas de orbitales cual de ellos presentaparamagnetismo y cual diamagnetismo.

SOLUCIN:

El Mg (Z = 12) tiene la distribucin electrnica = [Ne] 3s 2, y la Ag = [Kr] 4d10 5s1. En elmagnesio todos los electrones de valencia estn apareados, por lo que es diamagntico.

La plata (Ag) presenta i electrn 5s desapareado resultando por ello paramagntica.

Los diagramas orbitales del Mg y la Ag son:

7. Qu tipo de OM resulta de la superposicin lado a lado de un orbital s y uno p?

SOLUCIN:

En la siguiente figura se muestra la superposicin:

La fuerza de enlace generada de la superposicin entre el OA s positivo y la porcin + del orbital p se anula

por el efecto antienlazante generado por la superposicin entre el s positivo y la porcin negativa del p. ElOM es no enlazante; esto significa que el posible nuevo orbital no es de menor energa que los dos OAaislados.

5. Diga cul es la diferencia entre un OA, un OA hbrido, un OM y un OM localizado.

SOLUCIN

- Un OA es una regin de espacio en un tomo en el cual puede existir un electrn.

Mg [Ne]

3s

Ag [Kr]

5s4d


23/24

23

- Un OA hbrido est matemticamente hecho por algn nmero de OA para explicar la equivalenciade enlaces.

- Un OM es una regin de espacio alrededor de la molcula completa capaz de acomodar electrones.

- Un OM localizado es una regin de espacio entre un par de tomos enlazados en la cual se suponeestn presentes los electrones enlazantes.

6. Haga una lista de las diferencias que hay entre un enlace y un enlace .

SOLUCIN:

ENLACE SIGMA ( ) ENLACE Pi ( )

1. Formado por la superposicincabeza a cabeza de OA

1. Formado por superposicinlateral de orbitales p (u orbitales py d).

2. Tiene simetra de cargacilndrica alrededor del eje deenlace.

2. Tiene densidad de carga mxima enel plano transversal de los orbitales.

3. Tiene rotacin libre.3. No tiene rotacin libre.

4. Energa baja. 4. Energa alta.

5. Slo puede existir un enlaceentre dos tomos.

6. Pueden existir uno o dos enlacesentre dos tomos.

7. Diga cul es la diferencia entre un OA, un OA hbrido, un OM y un OM localizado.

SOLUCIN

- Un OA es una regin de espacio en un tomo en el cual puede existir un electrn.

- Un OA hbrido est matemticamente hecho por algn nmero de OA para explicar laequivalencia de enlaces.

- Un OM es una regin de espacio alrededor de la molcula completa capaz de acomodarelectrones.

- Un OM localizado es una regin de espacio entre un par de tomos enlazados en la cual sesupone estn presentes los electrones enlazantes.

8. Explique porque no cae el electrn al ncleo del tomo.

SOLUCIN

En el modelo mecnico-cuntico del tomo, el factor que resulta en la tendencia del e-y ncleo por separarseproviene de las propiedades ondulatorias que presenta el e-como partcula. Por su naturaleza ondulatoria ele-presenta una cierta asociada al espacio o dimensiones del orbital que lo contiene. Mientras ms pequeoes el orbital, la tambin debe hacerse mas pequea, por lo que su energa consecuentemente aumenta. Esteefecto se conoce como la energa de confinamiento..


24/24

En resumen, puesto que el ncleo y el electrn tienen cargas opuestas tienden por supuesto a atraerse y aunirse. Sin embargo, el e-no slo es una partcula sino que se comporta tambin como una onda: es mejor

pensar en el e- como una nube difusa de materia y carga elctrica rodeando al ncleo. Cuando el e- y elncleo se aproximan, el e-se ve ms y ms confinado a un cierto volumen y su se hace ms y ms corta

para caber en dicho espacio. Puesto que su es ms corta, la energa del e-aumenta y eventualmente es losuficientemente grande como para dominar la energa potencial electrosttica que atrae al ncleo y alelectrn. Se establece as un equilibrio en el que el tomo es estable y en el que el e-ni cae en el ncleo ni seescapa de l.

PROBLEMAS NO RESUELTOS

9. Ejemplifique; a) la importancia de las fuerzas de Van der Walls, b) como se clasificacn c) ejemplo de cadatipo

10. Comente la relacin entre fuerzas intermoleculares y propiedades fsicas y qumicas de las molculas11. Cul es la condicin para que una molcula pueda formar puentes de hidrgeno?12. a qu se debe la forma helicoidal de los acdos nuclecos?13. Qu tipo de fuerzas intermoleculares justifican los estados de agregacin de los hidrocarburos?14. Defina momento dipolar molecular

15. Para las siguientes especies: Br2 , NaCl, H2 O y Fe: a) Razone el tipo de enlace presente en cada caso. b)Indique el tipo de interaccin que debe romperse al fundir cada compuesto. c) Cul tendr un menor puntode fusin? d) Razone qu compuesto/s conducir/n la corriente en estado slido, cul/es lo har/n en estadofundido y cul/es no conducir/n la corriente elctrica en ningn caso

16. Considere las siguientes molculas: H2O, HF, H2 , CH4 y NH4 . Conteste justificadamente a cada una de lassiguientes cuestiones: a) Cul o cules son polares? b) Cul presenta el enlace con mayor contribucininica? c) Cul presenta el enlace con mayor contribucin covalente? d) Cul o cules pueden presentarenlace de hidrgeno?

17. Dibuje las estructuras de Lewis de las molculas de nitrgeno y de oxgeno e indique cul de estas dosmolculas ser ms reactiva. Razone su respuesta

18. Dadas las siguientes molculas: F2, CS2, C2H4, C2H2, H2O y NH3.Indique en cul o cules:

Todos los enlaces son simples.

Existe algn doble enlace. Existe algn triple enlace19. Indica razonadamente si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

a) El Ca y el O forman un enlace covalente polar.b) El cloruro de rubidio presenta un mayor carcter inico que el xidode magnesio.c) El cloro y el hidrgeno forman un enlace covalente apolar.d) El K y el F forman un enlace inico

20. Los elementos Na, Mg, S y Cl pertenecen al tercer periodo de la tabla peridica y tienen, respectivamente, 1,2, 6 y 7 electrones en su capa de valencia.a) Razone cules sern los iones monoatmicos ms estables de estos elementos.

b) Ordene los elementos por energas de ionizacin crecientes y justifique la respuesta.c) Formule el compuesto que previsiblemente formar el Mg con el Cl e indique el tipo de enlace que se

establecer en este compuesto.d) En determinadas situaciones, el azufre presenta el estado de oxidacin +2. Razone el tipo de enlace quese formar entre el S y el Cl cuando ambos elementos reaccionen entre s para formar dicloruro de azufre.Indique la geometra molecular de este compuesto y razone si la molcula ser polar o no

enlace quim teoria ejer y prob

Documents