propiedades atómicas y el enlace estructura de la materia...

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26/11/08 ESTRUCTURA MOLECULAR 0

ESTRUCTURA DE LAESTRUCTURA DE LAMATERIAMATERIA

ESTRUCTURAESTRUCTURAMOLECULARMOLECULAR

IntroducciIntroducciónónSemestre 2009-1Semestre 2009-1

Rafael Moreno Esparza26/11/08 ESTRUCTURA MOLECULAR 1

Propiedades atómicas y el enlacePropiedades atómicas y el enlace• Son aquellas propiedades de los átomos que

caracterizan la manera que dos átomos se unen• Entre ellas están:

– Configuración electrónica– Valencia– Número de oxidación– Fuerza de enlace– Distancia de enlace– Distribución de la carga– Electronegatividad


Configuración electrónicaConfiguración electrónica• Los electrones de un átomo se encuentran en

los orbitales– Un orbital es la región del espacio que ocupan los

electrones en un átomo– Y cada orbital está definido por 4 números

cuánticos

±(½)espínms

enteros de -l a lmomento magnéticoml

Enteros de 0 a n-1momento angularlEnteros de 0 a ∞principaln

ValorNombreSímbolo


Valencia y número de oxidaciónValencia y número de oxidación• Valencia

La capacidad que tiene un elemento paracombinarse con otros

• Estado de oxidaciónSe refiere a la carga que tendrá un átomo enuna molécula, si los electrones se asignaran acada átomo de una manera determinada

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Número de oxidaciónNúmero de oxidación• Reglas de asignación:

– El número de oxidación de un elemento libre setoma como cero

– El número de oxidación de un ionmonoatómico es su carga, incluido el signo

– El número de oxidación de un átomo en unamolécula covalente, es la carga que permanece sicada par electrónico compartido se asigna alátomo más electronegativo de los dos átomos quelo comparten

– El número de oxidación de un átomo en unamolécula cuya estructura es desconocida, se puedeobtener si se conocen los estados de oxidación delos otros elementos


Estados de oxidaciónEstados de oxidación• Se puede predecir si se consideran estas reglas:

– Al formar moléculas o iones los átomos buscanel arreglo más estable de sus electrones devalencia• Capa cerrada y completa

– Los electrones se pierden o comparten porpares

– Tipicamente los posibles números de oxidaciónde un mismo elemento difieren en dosunidades


Estados de oxidaciónEstados de oxidación• Los estados de oxidación más comunes:

ns2np6: -1, +1, +3, +5, +7→Familia 17 (ns2np5)ns2np6: -2, +2, +4, +6→Familia 16 (ns2np4)ns2 np6: -3| ns2: +3|ns0: +5→Familia 15: (ns2np3)ns2: +2|ns0: +4→Familia 14: (ns2np2)ns2: +1|ns0: +3→Familia 13: (ns2np1)d10: +2→Familia 12: (n-1d10ns2)s2, s2p6: +2→Familia 2: (ns2)s2, s2p6: +1→Familia 1: (ns1)Configuración finalConfiguración inicial


Estabilidad y configuraciónEstabilidad y configuración• Considerando lo anterior, parece razonable

sugerir que los átomos serán más estables sipierden o ganan electrones para tener su últimacapa como la de un gas noble

• Excepto por H y He, a todos los demás serán másestables si tienen 8 e- en su última capa

• Para ello un átomo habrá obtener electrones dealgún lugar, por ejemplo de otro átomo

• Dependiendo del tipo de combinación, seráposible que un átomo:

– Gane o pierda electrones– Comparta electrones

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Símbolos de Símbolos de LewisLewis• Es un sistema que permite llevar la cuenta de

los electrones alrededor de un átomo al unirsea otro

– Fue inventado en 1915 por G.N. Lewis• Reglas básicas:

– Escribe el símboloatómico

– Considera que cadalado es una caja quepuede tener hasta 2 e-

– Cuenta los electronesde valencia del elemento

– Llena cada caja pero nohagas pares a menos que no tengas de otra

X


Símbolos de Símbolos de LewisLewis• Ejemplo:

– El oxigeno tiene 8 e-; 6 de ellos son devalencia

– Se van colocando encada caja

– Hasta que setiene que tomaruna decisión:

– Obteniendo así, el símbolo deLewis para el O

O

O

O


Símbolos de Símbolos de LewisLewis• Símbolos de Lewis para el 2° período (n = 2)

de la tabla periódica


Fuerza de enlaceFuerza de enlace• La estabilidad de una molécula está en función

de la fortaleza de los enlaces covalentes quemantienen unidos a sus átomos

• ¿Cómo se mide?• La energía de enlace es el cambio en la

entalpía (ΔH, entrada de calor) que se requierepara disociar 1 mol de sustancia gaseosa

• Donde D(Cl-Cl) representa la energía dedisociación para el enlace Cl-Cl

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Fuerza de enlaceFuerza de enlace• Es la cantidad de energía requerida para separar

dos átomos unidos• Siempre es un proceso endotérmico

– H2(g) ssd 2H(g) !H

D

0= 436 kJ/mol = B

1074CO193Br2

299HI242Cl2

366HBr158F2

431HCl496O2

565HF944N2

151I2436H2

B (kJ/mol)MoléculaB (kJ/mol)Molécula


Fuerza de enlaceFuerza de enlace• ¿Pero y que pasa cuando tenemos un

compuesto que no es una molécula diatómica?• Consideremos la disociación del metano:

• Aquí tenemos cuatro enlaces C－Hequivalentes, de manera que la energía dedisociación de uno solo será:

• D(C-H) = (1660/4) kJ/mol = 415 kJ/mol


Fuerza de enlaceFuerza de enlace• Al medir el ΔH0 de una molécula diatómica, no

puede haber duda del resultado

• En cambio si la molécula es poliatómica,existen problemas de interpretación

• Si hay más de un enlace en la molécula, semide la energía total de ionización y se divideentre el número de enlaces de la molécula

• Es decir consideramos la energía promedio


Fuerza de enlaceFuerza de enlace• Nótese:

La energía para un enlace cualquiera se veinfluido por el resto de la molécula

• Sin embargo, este es un efecto relativamentepequeño, esto sugiere que los enlaces estánrealmente entre los átomos

• Entonces, la energía para la mayoría de losenlaces varía poco respecto a la energíapromedio para ese tipo de enlace

• La energía de enlace siempre es positiva, esdecir se requiere energía para romper unenlace covalente, y siempre hay energíaliberada cuando se forma un enlace

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Fuerza de enlaceFuerza de enlace• Energías de enlace y entalpías de reacción• Si podemos saber cuales enlaces se rompen y

cuales se forman durante el curso de unareacción química

• Podríamos estimar el cambio de entalpía(ΔHrxn) de la reacción, aun cuando noconozcamos la entalpía de formación (ΔHf°) delos reactivos y de los productos:

ΔH = Σ(energías formados) - Σ(energías rotos)• La reacción entre una mol de cloro y una mol de

metano


Fuerza de enlaceFuerza de enlace

743O=C

360O−C---C−F

157O−O360C−O

409N=N305C−N

163N−N348C−C

837C≡C565F−H

612C=CO−H

518C=CΦpromedio = 480388N−H

348C−C412C−H

B (kJ/mol)EnlaceB (kJ/mol)Enlace

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Tamaño AtómicoTamaño Atómico• Del modelo cuántico del átomo podemos concluir

que un átomo no tiene una frontera definida, ellonos conduce a un problema conceptual quepuede definirse con la siguiente pregunta– ¿cuál es exactamente el tamaño de un átomo?

• El radio atómicose puede estimarsuponiendo quelos átomos sonobjetos esféricosque se tocan unosa otros al estar unidosen una molécula


Tamaño AtómicoTamaño Atómico• La distancia del enlace Br-Br en el Br2 es de

2.28 Å, entonces el radio del átomo de Br esde 1.14 Å

• La distancia del enlace C-C es de 1.54 Å,entonces el radio de un átomo de Carbono esde 0.77 Å

• ¿Y la distancia del enlace en C-Br?• Para tener capacidad de predicción, es

necesario que los radios atómicosdeterminados (por medio de alguna técnica)permanezcan iguales, al considerar otroscompuestos (es decir que sean aditivos)

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Tamaño AtómicoTamaño Atómico• Con los datos anteriores y pensando que los

valores obtenidos son aditivos, podemospredecir que la distancia de enlace C-Br es iguala 1.14 + 0.77 = 1.91 Å

• En muchos de los compuestos que tienenenlaces C-Br, la distancia observada tieneaproximadamente este valor.

• Con las consideraciones anteriores, podemospresentar las características generales de lasdistancias de enlace obtenidas por medio de lastécnicas como cristalografía de moléculaspequeñas, RMN y otras


Distancia de enlaceDistancia de enlace

1.15NON-O1.19N2ON-O1.83(CF3)2SC-S

1.24NaNO2N-O1.81(CH3)2SC-S1.24N2O5N-O1.53C6H14C-C

1.48HOOHO-O

1.55C2H5OHC-C1.54C2H6C-C

1.28O3O-O1.54DiamanteC-C

1.21O2O-O0.96H2OO-H

1.81C3CH2SHC-S0.97NaOHO-H

MoléculaEnlace Distancia Enlace Molécula Distancia


Distribución de la cargaDistribución de la carga• También se le conoce con el nombre de carga

formal de un átomo• Y se define como la carga que le queda a un

átomo en una molécula, al formar un enlace.Se puede calcular así:

• Donde:– eval = electrones de valencia– eps = electrones apareados– ecomp = electrones compartidos

C

f= e

val

! !eps

! ! 1

2e

comp

!


Distribución de la cargaDistribución de la carga• Ejemplo:

– Es decir la carga negativa está en el C• Otro:

– O sea que la carga está en el C

C O

C

f

O = 6!2! 1

26( ) = +1

C

f

C = 4!2! 1

26( ) =!1

C O! !

C N

_

C

f

C = 4!2! 1

26( ) =!1

C

f

N = 5!2! 1

26( ) = 0

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Propiedades atómicas y el enlacePropiedades atómicas y el enlace

• Son aquellas propiedades de los átomos quecaracterizan la manera que dos átomos seunen

• Entre ellas están:– Configuración electrónica– Valencia– Número de oxidación– Fuerza de enlace– Distancia de enlace– Distribución de la carga– Electronegatividad


Clasificación de las sustanciasClasificación de las sustancias

• Desde el punto de vista experimental,podemos clasificar a las sustancias a la luzsu comportamiento

• Esta clasificación es enteramente empíricay es el resultado de estudiar laspropiedades físicas de dichas sustancias

• Estas propiedades son las siguientes:Mecánicas, Térmicas, Eléctricas y Ópticas


Clasificación de las sustanciasClasificación de las sustanciasIVIIIIIITipo→

débilesvariablesfuertesfuertesMecánicas

S8CuC(3D)NaClEjemplo

Similaren cada

fase

Opacos perobrillan

Absorciónvariable

Absorbencomo ionesÓpticas

aislantesaislantesaislantesconductoresEléctricas(líquido)

aislantesconductoresaislantesaislantesEléctricas(sólido)

grandegrandebajobajoCoef. expp.f. bajop.f. variablep.f. altop.f. altoTérmicasblandosmaleablesdurosdurosCristales


¿Como nos imaginamos cada caso?¿Como nos imaginamos cada caso?

Tipo I (IÓNICO)• Se considera que surge de la interacción

electrostática entre los átomos o moléculasque lo forman, las cuales están cargadas

• Es decir tienen uno o más electronesadicionales (aniones) o uno o más electronesmenos (cationes)

• Como las cargas interactuantes son opuestas,el sistema es estable

• El enlace primario es no direccional(isotrópico)

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Tipo II (COVALENTE)• Ahora se comparten los electrones por ambos

núcleos por igual• Si los átomos eran neutros antes de formar la

molécula, quedan neutros en el estado ligado• Es por ello que resultan ser malos

conductores



Tipo III (METÁLICOS):• Nuevamente todos los átomos que forman

este tipo de compuesto comparten loselectrones por igual

• Sin embargo, debido a su carácter metálico,los electrones de valencia se encuentran pocoligados

• Y es por ello que puedan conducir la corrienteeléctrica


¿Como nos imaginamos cada caso?¿Como nos imaginamos cada caso?Tipo IV (INTERACCIONES DÉBILES):

• En esta ocasión, todos los átomos omoléculas han completado su octeto

• Las interacciones entre estos componentesserán muy débiles

• Y claro, serán buenos aislantes (no hayespecies cargadas)

• Y serán fáciles de romper (no hayinteracciones fuertes)


Clasificación de las fuerzas químicasClasificación de las fuerzas químicasEnlaces iónicos

• Se puede describir por medio de un modeloelectrostático que supone que los átomos queforman estos compuestos son iones de cargaopuesta, los cuales interactúanelectrostáticamente

• En general los compuestos iónicos estánformados por un metal y un no-metal

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Clasificación de las fuerzas químicasClasificación de las fuerzas químicasEnlaces covalentes

• Para describir estos compuestos se requierecomprender que los elementos prefierentener completas sus capas electrónicas y queen vez de perder o ganar electrones loscomparten para conseguirlo

• Típicamente los compuestos covalentes estánformados por elementos no-metálicos


Clasificación de las fuerzas químicasClasificación de las fuerzas químicasEnlaces metálicos

• En este caso el modelo que describe a estoselementos considera una especie de dicotomía– al tiempo que considera que los elementos

prefieren tener sus configuraciones completas– también considera que para conseguirlo cada

metal comparte electrones con varios vecinos• De esta manera, los electrones de valencia se

mueven libremente en tres dimensiones• En general, este tipo de comportamiento lo

muestran los elementos metálicos propiamente ytodas sus aleaciones


Clasificación de las fuerzas químicasClasificación de las fuerzas químicas

Enlaces débiles• Una vez que un átomo consigue completar

su octeto (perdiendo, ganando ocompartiendo electrones), es concebibleque todavía pueda interactuar con otrosátomos o moléculas

• Esta interacción será menos fuerte que lastres anteriores


Moléculas e IonesMoléculas e Iones• Aunque los átomos son la unidad más pequeña

de un elemento particular, en la naturalezasólo podemos encontrar átomos aislados de losgases nobles

• La mayor parte de la materia en la naturalezase encuentra en su forma de iones ocompuestos

• Una molécula está formada de dos o másátomos unidos químicamente

• Estos átomos pueden ser del mismo elementoo de elementos diferentes

• La mayoría de los compuestos moleculares,están formados por elementos no metálicos

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Moléculas e IonesMoléculas e Iones• Muchos elementos se encuentran en la

naturaleza en su forma molecular donde doso más átomos del mismo elemento seencuentran unidos

• El oxígeno por ejemplo, normalmente seencuentra en su forma molecular diatómicaO2 (dos átomos de oxígeno unidos entre sí)

• El oxígeno también puede existir en otraforma molecular en donde hay tres átomosde oxígeno unidos entre sí

• Al O3 se le conoce con el nombre de ozono


Moléculas e IonesMoléculas e Iones• Aunque O2 y O3 son compuestos del mismo

elemento, tienen propiedades químicas yfísicas muy diferentes

• Existen siete elementos que comúnmentenos encontramos como moléculasdiatómicas

• Entre estos están: H, N, O, F, Cl, Br, I• Otros casos de elementos que forman

compuestos de un solo elemento son elazufre como S8, el fósforo como P4, el siliciocomo Si∞(3D) y el C∞(3D)


Moléculas e IonesMoléculas e Iones• Existe otro compuesto de hidrógeno y

oxígeno cuya fórmula química es H2O2 , y queconocemos con el nombre de peróxido dehidrógeno

• Nuevamente la fórmula química nos indicala composición a nivel atómico de estecompuesto

• Aunque está compuesto por los mismos doselementos, su comportamiento físico yquímico es completamente diferente al delagua

• El peróxido de hidrógeno es muy reactivo yse usa entre otras cosas para impulsarcohetes


Fórmula empírica Fórmula empírica vsvs. Fórmula molecular. Fórmula molecular• Las fórmulas moleculares se refieren al

número correcto de átomos diferentes quetiene una sola molécula de un compuesto

• Las fórmulas empíricas se refieren al menornúmero entero de cada uno de los átomosque forman a un compuesto particular omejor todavía, es la relación más simple queexiste entre los diferentes tipos de átomoscombinados que hay en un compuesto

• Las fórmulas moleculares nos dan másinformación, pues hay veces en que unasustancia es en realidad una colección demoléculas de diferentes tamaños pero con lamisma fórmula empírica

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Fórmula empírica Fórmula empírica vsvs. Fórmula molecular. Fórmula molecular• Si conocemos las cargas de los iones que forman

un compuesto iónico, se puede entoncesdeterminar la fórmula empírica

• El punto aquí es entender que los compuestosiónicos siempre deben ser eléctricamente neutros

• Por lo tanto, la concentración de iones en uncompuesto iónico debe ser tal que la carga totalsea neutra

• En el caso del cloruro de sodio (NaCl), deberáhaber un ion Na positivo por cada ion Cl negativo

• ¿Y en el caso del ion (Ba2+) y el ion (Cl-)?1 (Ba2+) + 2 (Cl-) = Carga neutra

• Fórmula empírica resultante: BaCl226/11/08 ESTRUCTURA MOLECULAR 41

Fórmula empírica Fórmula empírica vsvs. Fórmula molecular. Fórmula molecular• Por ejemplo el carbono, se encuentra

comúnmente como una colección deestructuras tridimensionales

• Estas estructuras se representan fácilmentecon la fórmula empírica C o C(3D)

CH3C2H6EtanoCH2C2H4Etileno

HOH2O2Peróxido de hidrógeno

H2OH2OAgua

FórmulaEmpírica

FórmulaMolecularCompuesto


FórmulaFórmula

• Se emplean para representar a los elementosde un compuesto– Enlista a los elementos de un compuesto– Dice cuantos elementos hay– Puede mostrar como están conectados los

elementos en el compuesto

1 Oxígeno

6 Hidrógenos1 Oxígeno

2 Carbonos2 hidrógenos

CH3CH2OH - Alcohol etílicoH2O - agua


Fórmulas estructuralesFórmulas estructurales• Algunas veces, las fórmulas moleculares se

pueden dibujar como fórmulas estructurales,que indican además de la composición, laestructura del material

• Es decir, nos dan una idea de la manera enque los átomos se encuentran unidos entre sí

• Aunque las fórmulas estructurales indican lamanera en que están conectados los átomos,no necesariamente nos dan informaciónacerca de la geometría real de talcompuesto

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Representaciones molecularesRepresentaciones moleculares• Existe un gran número de formas de presentar a las

moléculas• A continuación mostraremos algunos ejemplos:• El Agua:

H2O:

• La Sal:NaCl:

propiedades atómicas y el enlace estructura de la materia...

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