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Enlaces químicos (página 2)

Enviado por Nstor Sanz



Partes: 1, 2


Para lograr ese estado ideal, los átomos suelen utilizar una o varias de estas tres estrategias: ceder o captar electrones, compartir electrones con otro átomo o ponerlos en común junto con otros muchos. De estas tres posibilidades nacen los tres tipos de enlace químico: iónico, covalente y metálico.

Enlace iónico

El enlace iónico consiste en la atracción electrostática entre átomos con cargas eléctricas de signo contrario. Este tipo de enlace se establece entre átomos de elementos poco electronegativos con los de elementos muy electronegativos. Es necesario que uno de los elementos pueda ganar electrones y el otro perderlo, y como se ha dicho anteriormente este tipo de enlace se suele producir entre un no metal (electronegativo) y un metal (electropositivo).

Un ejemplo de sustancia con enlace iónico es el cloruro sódico. En su formación tiene lugar la transferencia de un electrón del átomo de sodio al átomo de cloro. Las configuraciones electrónicas de estos elementos después del proceso de ionización son muy importantes, ya que lo dos han conseguido la configuración externa correspondiente a los gases nobles, ganando los átomos en estabilidad. Se produce una transferencia electrónica, cuyo déficit se cubre sobradamente con la energía que se libera al agruparse los iones formados en una red cristalina que, en el caso del cloruro sódico, es una red cúbica en la que en los vértices del paralelepípedo fundamental alternan iones Cl- y Na+. De esta forma cada ion Cl- queda rodeado de seis iones Na+ y recíprocamente. Se llama índice de coordinación al número de iones de signo contrario que rodean a uno determinado en una red cristalina. En el caso del NaCl, el índice de coordinación es 6 para ambos

Propiedades de los compuestos iónicos

Las sustancias iónicas están constituidas por iones ordenados en el retículo cristalino; las fuerzas que mantienen esta ordenación son fuerzas de Coulomb, muy intensas. Esto hace que las sustancias iónicas sean sólidos cristalinos con puntos de fusión elevados. En efecto, para fundir un cristal iónico hay que deshacer la red cristalina, separar los iones.

El aporte de energía necesario para la fusión, en forma de energía térmica, ha de igualar al de energía reticular, que es la energía desprendida en la formación de un mol de compuesto iónico sólido a partir de los correspondientes iones en estado gaseoso. Esto hace que haya una relación entre energía reticular y punto de fusión, siendo éste tanto más elevado cuanto mayor es el valor de aquella.

Por otra parte, la aparición de fuerzas repulsivas muy intensas cuando dos iones se aproximan a distancias inferiores a la distancia reticular (distancia en la que quedan en la red dos iones de signo contrario), hace que los cristales iónicos sean muy poco compresibles. Hay sustancias cuyas moléculas, si bien son eléctricamente neutras, mantienen una separación de cargas.

Esto se debe a que no hay coincidencia entre el centro de gravedad de las cargas positivas y el de las negativas: la molécula es un dipolo, es decir, un conjunto de dos

Cargas iguales en valor absoluto pero de distinto signo, separadas a una cierta distancia. Los dipolos se caracterizan por su momento; producto del valor absoluto de una de las cargas por la distancia que las separa. Un de estas sustancias polares es, por ejemplo el agua.

Cuando un compuesto iónico se introduce en un disolvente polar, los iones de la superficie de cristal provocan a su alrededor una orientación de las moléculas dipolares, que enfrentan hacia cada ion sus extremos con carga opuesta a la del mismo. En este proceso de orientación se libera una energía que, si supera a la energía reticular, arranca al ion de la red. Una vez arrancado, el ion se rodea de moléculas de disolvente: queda solvatado. Las moléculas de disolvente alrededor de los iones se comportan como capas protectoras que impiden la reagrupación de los mismos. Todo esto hace que, en general, los compuestos iónicos sean solubles en disolventes polares, aunque dependiendo siempre la solubilidad del valor de la energía reticular y del momento dipolar del disolvente. Así, un compuesto como el NaCl, es muy soluble en disolventes como el agua, y un compuesto como el sulfato de bario, con alta energía reticular, no es soluble en los disolventes de momento dipolar muy elevado.

Enlace covalente

Lewis expuso la teoría de que todos los elementos tienen tendencia a conseguir configuración electrónica de gas noble (8 electrones en la última capa). Elementos situados a la derecha de la tabla periódica ( no metales ) consiguen dicha configuración por captura de electrones; elementos situados a la izquierda y en el centro de la tabla ( metales ), la consiguen por pérdida de electrones. De esta forma la combinación de un metal con un no metal se hace por enlace iónico; pero la combinación de no metales entre sí no puede tener lugar mediante este proceso de transferencia de electrones; por lo que Lewis supuso que debían compartirlos.

Es posible también la formación de enlaces múltiples, o sea, la compartición de más de un par de electrones por una pareja de átomos. En otros casos, el par compartido es aportado por sólo uno de los átomos, formándose entonces un enlace que se llama coordinado o dativo. Se han encontrado compuestos covalentes en donde no se cumple la regla. Por ejemplo, en BCl3, el átomo de boro tiene seis electrones en la última capa, y en SF6, el átomo de azufre consigue hasta doce electrones.

Esto hace que actualmente se piense que lo característico del enlace covalente es la formación de pares electrónicos compartidos, independientemente de su número.

Fuerzas intermoleculares

A diferencia que sucede con los compuestos iónicos, en las sustancias covalentes existen moléculas individualizadas. Entre estas moléculas se dan fuerzas de cohesión o de Van der Waals, que debido a su debilidad, no pueden considerarse ya como fuerzas de enlace.

Hay varios tipos de interacciones: Fuerzas de orientación (aparecen entre moléculas con momento dipolar diferente), fuerzas de inducción (ion o dipolo permanente producen en una molécula no polar una separación de cargas por el fenómeno de inducción electrostática) y fuerzas de dispersión (aparecen en tres moléculas no polares).

Propiedades de los compuestos covalentes

Las fuerzas de Van der Waals pueden llegar a mantener ordenaciones cristalinas, pero los puntos de fusión de las sustancias covalentes son siempre bajos, ya que la agitación térmica domina, ya a temperaturas bajas, sobre las débiles fuerzas de cohesión. La mayor parte de las sustancias covalentes, a temperatura ambiente, son gases o líquidos de punto de ebullición bajo (por ejemplo el agua). En cuanto a la solubilidad, puede decirse que, en general, las sustancias covalentes son solubles en disolventes no polares y no lo son en disolventes polares. Se conocen algunos sólidos covalentes prácticamente infusibles e insolubles, que son excepción al comportamiento general descrito. Un ejemplo de ellos es el diamante. La gran estabilidad de estas redes cristalinas se debe a que los átomos que las forman están unidos entre sí mediante enlaces covalentes. Para deshacer la red es necesario romper estos enlaces, los cual consume enormes cantidades de energía.

Electrovalencia y covalencia

Teniendo presenta las teorías de los enlaces iónicos y covalentes, es posible deducir la valencia de un elemento cualquiera a partir de su configuración electrónica.

  • La electrovalencia, valencia en la formación de compuestos iónicos, es el número de electrones que el átomo tiene que ganar o perder para conseguir la configuración de los gases nobles.
  • La covalencia, número de enlaces covalentes que puede formar un átomo, es el número de electrones desapareados que tiene dicho átomo. Hay que tener presente que un átomo puede desaparecer sus electrones al máximo siempre que para ello no haya de pasar ningún electrón a un nivel energético superior.

Enlace metálico:

Los elementos metálicos sin combinar forman redes cristalinas con elevado índice de coordinación. Hay tres tipos de red cristalina metálica: cúbica centrada en las caras, con coordinación doce; cúbica centrada en el cuerpo, con coordinación ocho, y hexagonal compacta, con coordinación doce. Sin embargo, el número de electrones de valencia de cualquier átomo metálico es pequeño, en todo caso inferior al número de átomos que rodean a un dado, por lo cual no es posible suponer el establecimiento de tantos enlaces covalentes.

En el enlace metálico, los átomos se transforman en iones y electrones, en lugar de pasar a un átomo adyacente, se desplazan alrededor de muchos átomos. Intuitivamente, la red cristalina metálica puede considerarse formada por una serie de átomos alrededor de los cuales los electrones sueltos forman una nube que mantiene unido al conjunto.

Polaridad de los enlaces:

En el caso de moléculas heteronucleares, uno de los átomos tendrá mayor electronegatividad que el otro y, en consecuencia, atraerá mas fuertemente hacia sí al par electrónico compartido. El resultado es un desplazamiento de la carga negativa hacia el átomo más electronegativo, quedando entonces el otro con un ligero exceso de carga positiva. Por ejemplo, en la molécula de HCl la mayor electronegatividad del cloro hace que sobre éste aparezca una fracción de carga negativa, mientras que sobre el hidrógeno aparece una positiva de igual valor absoluto. Resulta así una molécula polar, con un enlace intermedio entre el covalente y el iónico.

Esquema

¿Que es un átomo?

En química y física, átomo (del latín atomus, y éste del griego άτομος, indivisible) es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo ya fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

El núcleo atómico:

El núcleo del átomo se encuentra formado por nucleones, los cuales pueden ser de dos clases:

  • Protones: Partícula de carga eléctrica positiva igual a una carga elemental, y 1,67262 × 10-27 kg y una masa 1837 veces mayor que la del electrón
  • Neutrones: Partículas carentes de carga eléctrica y una masa un poco mayor que la del protón (1,67493 × 10-27 kg)

El núcleo más sencillo es el del hidrógeno, formado únicamente por un protón. El núcleo del siguiente elemento en la tabla periódica, el helio, se encuentra formado por dos protones y dos neutrones.

La cantidad de protones contenidas en el núcleo del átomo se conoce como número atómico, el cual se representa por la letra Z y se escribe en la parte inferior izquierda del símbolo químico. Es el que distingue a un elemento químico de otro. Según lo descrito anteriormente, el número atómico del hidrógeno es 1 (1H), y el del helio, 2 (2He).

La cantidad total de nucleones que contiene un átomo se conoce como número másico, representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del símbolo químico. Para los ejemplos dados anteriormente, el número másico del hidrógeno es 1(1H), y el del helio, 4(4He).

Existen también átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente número másico, los cuales se conocen como isótopos. Por ejemplo, existen tres isótopos naturales del hidrógeno, el protio (1H), el deuterio (2H) y el tritio (3H). Todos poseen las mismas propiedades químicas del hidrógeno, y pueden ser diferenciados únicamente por ciertas propiedades físicas.

Otros términos menos utilizados relacionados con la estructura nuclear son los isótonos, que son átomos con el mismo número de neutrones. Los isóbaros son átomos que tienen el mismo número másico.

Debido a que los protones tienen cargas positivas se deberían repeler entre sí, sin embargo, el núcleo del átomo mantiene su cohesión debido a la existencia de otra fuerza de mayor magnitud, aunque de menor alcance conocida como la interacción nuclear fuerte.

¿Qué es una fisión?

En química y física, fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo del átomo. La fisión ocurre cuando un núcleo se divide en dos o más núcleos pequeños, más algunos subproductos. Estos subproductos incluyen neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).

La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fusión, que calentarán a la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con otra partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndole inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta).

El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños,

hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.

Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.

Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos: no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.

Bomba atómica:

La bomba atómica, obtiene la energía de la fisión del núcleo de los átomos de elementos radiactivos como el uranio y el plutonio.  La cantidad de energía que se puede obtener la explicó Einstein en 1905 con su famosa fórmula:

e = m.c2

Donde la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz elevada al cuadrado.  Dicho simplemente, una pequeña cantidad de materia es equivalente a una enorme cantidad de energía.  Por ejemplo 1 Kg.  de materia convertida completamente en energía sería equivalente a la explosión de 22 megatones de TNT.

El científico alemán Otto Hahn descubrió en 1938, que un neutrón disparado contra un átomo de uranio era capaz de dividir el átomo en dos átomos más ligeros, liberando 2 o 3 neutrones y gran cantidad de energía.  Los neutrones liberados podían a su vez colisionar con otros átomos de uranio multiplicando el efecto.  Es decir, se producía una reacción en cadena.

Una cantidad de uranio del tamaño de una pelota de baseball produciría una explosión equivalente a 20 mil toneladas de TNT.

Si tomamos una esfera de material fisionable puro, como el uranio-235, del tamaño de una pelota de golf, a la cual le disparamos un neutrón, no podrá sostenerse una reacción en cadena.  Muchos neutrones escaparán por la superficie de la pelota y se perderán, por tanto muchos átomos no serán fisionados.  Esa cantidad de uranio se llama masa subcrítica.

Si la esfera es del tamaño de una pelota de baseball, muchos más neutrones impactarán contra otros átomos del material fisionable, que los que escaparán por la superficie, produciendo una reacción en cadena.  Esa cantidad de uranio se llama masa crítica.

Aumentando la cantidad de uranio se produce una masa supercrítica en la cual la generación de sucesivas fisiones aumenta rápidamente llegando a producir una reacción en cadena que ocasionará una explosión debido a la enorme y rápida cantidad de energía liberada.

Pero no todos los materiales radiactivos son adecuados.  Por medios artificiales se puede crear un isótopo, como por ejemplo el uranio-235.  Este isótopo es sumamente inestable o radiactivo, es decir sus átomos se fisionan o se dividen con facilidad al solo darle un suave golpecito, formando elementos que son más estables.  Cada vez que el núcleo se divide libera neutrones y la energía que no necesita para mantener el núcleo cohesionado.  

Normalmente, el uranio-235 está caliente debido a las fisiones espontáneas que ocurren en sus átomos, liberando energía, pero que no son suficientes como para desencadenar una reacción incontrolable, es decir una explosión.  Esa energía que escapa de los núcleos del uranio-235 junto con los neutrones, daña las células de los seres vivos y por tanto es peligrosa y letal.  Por eso decimos que el uranio-235 al igual que cualquier material radiactivo es sumamente peligroso y no se debe manipular sin saber cómo hacerlo.

Para hacer una bomba atómica, es necesario comprimir el uranio o plutonio de manera que su masa crítica se convierta en supercrítica causando una reacción en cadena incontrolada.  Esa reacción que ocurre en millonésimas de segundo produce una enorme explosión por la cantidad de energía liberada instantáneamente.  La compresión necesaria para convertir la masa crítica en supercrítica se obtiene, por ejemplo, con la explosión de una carga TNT que se coloca rodeando al uranio o plutonio.  Al quedar comprimido el material fisionable por la explosión del TNT, los neutrones que se liberan no tienen adonde escapar y por tanto chocan con todos los átomos produciendo la reacción en cadena incontrolada.

En una fracción de segundo, todos los núcleos de los átomos del material comprimido son golpeados por los neutrones y se rompen.  La energía de trillones de núcleos es liberada simultáneamente, produciendo una enorme explosión atómica.

Conclusión

El enlace químico es una situación de equilibrio, donde las fuerzas de atracción entre los átomos son contrarrestadas por fuerzas equivalentes y de sentido contrario (fuerzas de repulsión). El punto de equilibrio suele ser caracterizado por el radio de enlace y la energía. La explicación de las fuerzas involucradas en un enlace químico es descrita por las leyes de la electrodinámica cuántica. Sin embargo al ser un problema de muchos cuerpos se recurre con frecuencia a teorías simplificadas. Estas teorías dan una idea más o menos buena de la situación real. Entre las más recurridas están:

  • Enlace de valencia: teoría sencilla que se completa con la regla del octeto. Según esta teoría, cada átomo se rodea de 8 electrones, algunos compartidos en forma de enlaces y otros propios en forma de pares solitarios. No puede describir adecuadamente a los átomos con orbitales d activos, como los metales de transición, pero la teoría es muy sencilla y describe adecuadamente un gran número de compuestos.
  • Mecánica cuántica: Esta teoría es mucho más compleja que la anterior. Da respuesta a muchos fenómenos que escapan al enlace de valencia. En la mecánica cuántica, los enlaces de valencia no tienen un papel destacado (sólo se tienen en cuenta las posiciones nucleares y las distribuciones electrónicas), pero los químicos los representan para que las estructuras les sean más familiares. Los orbitales moleculares pueden clasificarse como enlazantes y antienlazantes.
  • Interacción electrostática: Útil para cristales de carácter marcadamente ioníceso. Predice la unión entre grupos de átomos, de forma no-direccional.

Anexos

Bomba atómica

El átomo

Otto Hahn

Bibliografía:

Enciclopedia Océano de Venezuela

Microsoft Encarta

Enciclopedia Genios de Venezuela Vol. III.



 

 

Autor:

Néstor Sanz

Marco Montenegro

Partes: 1, 2


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