Enlace químico y las fuerzas intermoleculares
Introducción
¡Hola admirable estudiante!
Me da mucho gusto saludarte en esta ocasión, que sin demeritar las anteriores, ya has avanzado mucho en este proceso formativo y eso es razón suficiente para pedirte que continúes con ese mismo ímpetu por aprender más. Te reitero mis felicitaciones y te doy la bienvenida a la clase 12 del curso de Química, con el tema Enlace químico y las fuerzas intermoleculares.
Cuando empezamos a estudiar los elementos químicos mencionamos que la mayoría de estos se encuentran combinados con otros elementos, es decir, no los encontramos comúnmente en su forma elemental, sino formando compuestos. Todos excepto los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), los cuales, gracias a su estabilidad electrónica, al tener todos sus niveles energéticos completos, no necesitan formar enlaces con otros elementos, de ahí su denominación.
Recordemos que los compuestos son sustancias formadas de dos o más elementos en proporciones definidas. En esta sesión veremos que los compuestos se pueden clasificar como iónicos o covalentes, dependiendo del tipo de unión química que exista entre ellos.
Esperando que el tema sea de tus favoritos, damos comienzo.
Desarrollo del tema
Regla del octeto
Esta es una regla general que nos indica que los átomos tienen una tendencia a obtener una configuración electrónica estable, similar a la de los gases nobles, los cuales tienen sus niveles energéticos completos con ocho electrones en su capa de valencia. Esta regla explica la formación de enlaces químicos entre los elementos representativos. También es importante mencionar que esta regla no aplica en los elementos de transición (bloque d), ya que los orbitales que estos elementos poseen permiten tener más de ocho electrones en su última capa.
Enlace iónico
Recordarás que los elementos químicos tienden a perder o ganar electrones. El carácter metálico de los elementos implica que pierden electrones formando cationes (+), como el sodio Na, potasio K o magnesio Mg, mientras que los elementos no metálicos pueden ganar electrones más fácilmente formando aniones (-), por ejemplo, el flúor F, oxígeno O, nitrógeno N o cloro Cl. Gracias a estas propiedades los metales y los no metales estos elementos se pueden unir mediante enlaces iónicos. Para formar un enlace iónico un metal cede uno o más electrones a los elementos no metálicos los cuales los atraen fuertemente, al existir cargas opuestas (positiva y negativa) entre los dos iones, estos se unen por atracción electrostática.
Existen muchos ejemplos de compuestos iónicos en nuestra vida cotidiana, la sal de mesa contiene cloruro de sodio (NaCl), el bicarbonato de sodio (NaHCO3) lo encontramos en el polvo para hornear y ayuda a que los pasteles y galletas se inflen, también el carbonato de calcio (CaCO3) lo podemos encontrar en medicamentos para aliviar la acidez estomacal ya que es una sal que puede neutralizar estos ácidos.
Nota. Las gemas o cristales no son curativos.
Cuando un metal como el sodio posee 11 electrones, cuando pierde el electrón de su última capa (3s1) quedándose con 10 electrones se forma un catión (ion positivo), así adquiere la configuración electrónica que tiene el Neón, el cual es más estable. Esto ocurre con todos los metales del grupo 1A ya que todos ellos tienen un solo electrón en su capa de valencia y su forma iónica tiene cara 1+. Los elementos del grupo 2A tienen 2 electrones en su capa de valencia los cuales ceden fácilmente para estabilizar su configuración electrónica, formando iones con carga 2+, como el Ca, Mg, Be.
Además, el radio de los iones es menor al del átomo neutro, ya que al no tener la capa de valencia solo tiene los electrones de niveles inferiores.
Nota. La configuración electrónica de este catión tiene la configuración electrónica del neón.
Nota. Al perder 2 electrones. Este catión posee la configuración electrónica del Argón.
Los iones negativos, o aniones, se forman cuando un átomo gana uno o más electrones. Los no metales tienen la característica de ganar electrones con facilidad, por ejemplo, el cloro que inicialmente tiene 17 electrones puede ganar un electrón para tener un total de 18, adquiriendo una carga de 1- y una configuración electrónica como la del Ar. Así como el cloro, todos los elementos del grupo 7A pueden ganar 1 solo electrón para completar su último nivel energético con 8 electrones, los del grupo 6A pueden ganar dos electrones, los del 5A ganan hasta 3 electrones, formando los aniones con la carga negativa correspondiente, Además, el radio iónico es mayor que el átomo neutro en los aniones al tener un electrón más en su último nivel energético.
Nota. Este anión tiene la configuración electrónica del argón.
Nota. El oxígeno gana dos electrones para tener la configuración electrónica del neón.
Los compuestos iónicos se forman por la atracción de las cargas opuestas de los iones al transferir electrones de metal al no metal, es decir, mediante el enlace iónico. Estos compuestos no forman moléculas discretas, como en el agua o el dióxido de carbono, sino que su estructura consta de un arreglo cristalino entre los iones, este arreglo se repite innumerables veces a lo largo de la muestra. Estos arreglos dependen del tamaño y cantidad de los iones que conforman el compuesto.
Nota. a) El átomo neutro positivo de sodio cede su último electrón al cloro, b) la atracción entre iones de carga opuesta forma el enlace iónico para formar cloruro de sodio NaCl, c) arreglo cristalino de los iones cloruro y sodio en el NaCl.
Gracias a esta característica los compuestos iónicos son muy estables y tienen propiedades físicas y químicas que los diferencian de los compuestos covalentes.
- Puntos de fusión y ebullición altos (P.F. NaCl 801 °C).
- Todos son sólidos a temperatura ambiente.
- Muchos son solubles en agua, (electrolitos).
También es importante mencionar que existen iones poliatómicos, los cuales se conforman de dos o más átomos y poseen una carga global, la mayoría son negativos a excepción del ion amonio NH4+
Enlace covalente
Las moléculas covalentes están conformadas de dos o más átomos no metálicos. En este tipo de enlace no hay transferencia de electrones, más bien los átomos comparten los electrones de la capa de valencia para lograr cumplir la regla del octeto. Al compartir los electrones existe un traslape de los orbitales de los electrones, provocando el enlace covalente, lo que forma una molécula.
El número de enlaces que forma un átomo no metálico es generalmente igual al número de electrones que necesita para que su configuración electrónica sea estable, por ejemplo, al flúor le falta un electrón para completar su octeto, por lo que puede formar un enlace con otro átomo de flúor que también la falta un electrón, y también lo podría hacer con un átomo de hidrógeno.
Abordaremos más profundamente el tema del enlace covalente más adelante en el tema de los compuestos orgánicos.
Enlace metálico
Existe un tercer tipo de unión química, llamada enlace metálico, el cual se da entre átomos metálicos. Para aprender de este tipo de enlace, mira el siguiente video:
Fuerzas intermoleculares
Estas fuerzas son las que rigen cómo se comporta una molécula con otra dentro de una sustancia. El resultado de estas fuerzas explica muchas de las propiedades físicas de las sustancias, por ejemplo, su estado de agregación o sus puntos de fusión y ebullición.
Las atracciones que existen entre las moléculas son de mucho menor intensidad comparadas con las atracciones que hay entre átomos, es decir, en los enlaces químicos. Estas fuerzas también reciben el nombre de fuerzas de van der Waals.
Fuerzas dipolares
En las moléculas como él HCl, con centros separados y no equilibrados de cargas parciales positivas y negativas reciben el nombre de dipolos. En el HCl existe una diferencia de electronegatividades entre cloro y el hidrógeno, siendo el cloro con un valor más alto, lo que implica que atrae los electrones del enlace hacia él mismo, además de poseer pares de electrones no enlazados, gracias a esto, existe una carga parcial negativa hacia el cloro y una positiva hacia el hidrógeno.
Cuando 2 moléculas bipolares se acercan, el extremo con la carga parcial negativa se alinea con el extremo con carga parcial positiva de la otra molécula por la atracción de cargas opuestas, como ocurre con los imanes. A pesar de que estas atracciones son relativamente débiles, son más intensas que las interacciones entre moléculas no polares,
Puentes de hidrógeno
Los puentes de hidrógeno son interacciones entre los átomos de hidrógeno de una molécula el cual está enlazando átomos electronegativos como el oxígeno, flúor o nitrógeno, con átomos más electronegativos de otra molécula. esta interacción resulta ser más fuerte que las fuerzas dipolares. En estas interacciones el átomo de hidrógeno que está enlazado a un oxígeno, flúor o nitrógeno, es atraído por un par de electrones no compartidos de un átomo de oxígeno, flúor o nitrógeno de una molécula vecina. Los extremos positivos de una molécula se atraen a los extremos negativos de otra.
Fuerzas de dispersión (fuerzas de London)
Estas fuerzas de dispersión están presentes en moléculas no polares. A pesar de que en este tipo de moléculas la distribución electrónica es pareja, se pueden llegar a formar dipolos de forma temporal. Estas atracciones son muy débiles, pero en moléculas más grandes, pueden ser mayores.
Se puede inducir un dipolo en una molécula no polar cuando existe la presencia de iones. Por ejemplo, un ion de carga positiva que se acerca a una molécula no polar puede causar una carga parcial negativa en el extremo más cercano al ion.
Conclusión
En resumen, es importante que recuerdes que en la naturaleza vamos a encontrar a la mayoría de los átomos de los elementos químicos enlazados a otros, esto ocurre porque existe una tendencia de los átomos a tener una estructura electrónica estable y está la logran al combinarse. Es lo que conocemos como la regla del octeto, en la cual nos dice que los átomos tienden a tener 8 electrones en su capa de valencia.
Existen 3 formas en las que los átomos se combinan uniéndose químicamente, el enlace iónico, enlace covalente y el enlace metálico. El enlace iónico implica la transferencia de electrones de un metal a un no metal de manera que se forman iones de carga opuesta los cuales se atraen. en un enlace covalente los átomos comparten electrones y se da entre átomos no metálicos, aquí podemos tener enlaces covalentes polares y covalentes no polares, en los primeros existe una alta diferencia de electronegatividad entre los átomos enlazados, en los no polares esta diferencia no es significativa. Finalmente, el enlace metálico se da entre átomos metálicos, los cuales están acomodados en una red rígida y compacta lo que permite a los electrones moverse a través de todo el metal, esto explica la alta conductividad eléctrica y dureza de los metales.
También aprendimos sobre las fuerzas intermoleculares que son las que dictan cómo se comporta una molécula con otra dentro de una sustancia. Aquí podemos ver a las fuerzas dipolares, los puentes de hidrógeno y las fuerzas de dispersión. todas ellas dependen de cómo es que se forma un dipolo en estas moléculas.
Espero que te haya gustado mucho esta clase, estos conceptos son muy importantes para entender la química de las sustancias que nos rodean.
Hemos llegado al final de la clase ¡Te felicito por tu gran logro¡ Ya casi estás por terminar el curso. no olvides realizar la tarea y enviarla como corresponde. Hasta la próxima sesión.
Fuentes de información
- Timberlake, K. C. (2013). Química general, orgánica y biológica. Estructuras de la vida Educación media superior. (4ª ed.). Pearson Educación. ISBN: 978-607-32-2034-7
- Burns, R. A. FUNDAMENTOS DE QUÍMICA. [VitalSource Bookshelf]. Recuperado de https://bookshelf.vitalsource.com/#/books/9786073206839/