Introducción: La importancia del enlace químicos • Nos interesa conocer las propiedades físico-químicas de las diferentes sustancias que existen

¿De qué dependen esas propiedades? La clave está en el interior de la materia… Sabemos que la materia está formada por unidades elementales de materia que son los átomos, pero en general las sustancias no suelen conformarse de átomos aislados, sino que éstos se unen, generando estructuras mayores cuyo comportamiento global define las propiedades de las sustancias

Las propiedades de las sustancias son muy variopintas Sustancia

Conductividad eléctrica

Diamante (C)

Reactividad química

Punto de fusión

Dureza (escala Mohs)

Inerte

3400ºC

10

Muy baja

801 ºC

4,5

Fácilmente oxidable

1085ºC

3

Reacciona con ácidos y metales alcalinos

100ºC

1,5

nula

Sal común (NaCl) Nula (en estado sólido) Cobre (Cu)

Muy elevada Agua (H2O) Casi nula

Si conocemos por tanto como se unen sus átomos podremos entender y predecir las propiedades de las sustancias así como fabricar materiales que satisfagan nuestras necesidades

El enlace químico es algo que no podemos estudiar directamente debido a las dificultades que existen a la hora de observar los átomos…

Usaremos modelos de enlace

1. ¿Por qué se unen los átomos? Al formarse el enlace se libera una cierta cantidad de energía llamada energía de enlace Justo al formarse el enlace entre los dos átomos, la energía es mínima, el sistema se encuentra en una situación de máxima estabilidad

¿Por qué se estabilizan al unirse? • La clave está en que el enlace químico hace que se modifique la estructura electrónica de los átomos implicando, alcanzándose así configuraciones electrónicas más estables para todos los átomos implicados.

¿Todas la uniones entre átomos son iguales?

No, pues de lo contrario todas las sustancias tendrían propiedades idénticas.

Tenemos que diseñar por tanto diferentes modelos de enlace químico, según el tipo de átomos que forman el enlace.

2. Modelos de enlace químico 2.1) ENLACE IÓNICO

Conceptos propios del modelo de enlace iónico • Celda unidad e índices de coordinación del catión y del anión

Propiedades generales de las sustancias iónicas • Altos puntos de fusión y ebullición: Es necesario aplicar mucha energía para romper los enlaces entre los iones del cristal y pasarlos a estado líquido

• Duros pero frágiles

• Muy solubles en disolventes polares como el agua

• Conducen la corriente disueltos o fundidos porque dan lugar a partículas cargadas que se pueden mover ( los iones).

2.2 El enlace covalente • 2.2.2) TEV Solapamiento frontal de orbitales atómicos, formando enlaces tipo σ

Solapamiento lateral de orbitales atómicos, formando enlaces tipo π

• 2.2.2) TEV

2.2.2.1) Teoría de orbitales híbridos • Para explicar correctamente la geometría de una molécula (forma en el espacio) la TEV recurre a una herramienta matemática llamada hibridación de orbitales atómicos, en la que se combinan los orbitales del átomo central entre sí para formar nuevos orbitales atómicos llamados HÍBRIDOS, cuya principal característica es su dirección espacial Ejemplo: Hibridación entre un orbital s y un orbital p del mismo átomo

2.2.2.1) Teoría de orbitales híbridos Coordinación del átomo central

4

3

2

La molécula de metano según la Teoría de Orbitales Híbridos El ángulo de enlace en la molécula real coincide exactamente con el ángulo que se predice para la hibridación sp3 que tiene el carbono

Analicemos la molécula de agua… La hibridación del átomo central es… Esperamos que el ángulo de enlace sea de…

En la realidad la molécula es…

sp3

109,5 ⁰

2.2.2.1) Teoría de Repulsión de los pares de electrones en la capa de valencia (TRPENV)

Para entender esa variación en el ángulo de enlace con respecto a lo que se predice según la hibridación, debemos aplicar la TRPENV, según la cual los pares de electrones no enlazantes se repelen con el resto de pares de electrones (y sobre todo entre ellos) haciendo que los enlaces se reajusten para que esas repulsiones sean mínimas.

Aunque esos pares enlazantes INFLUYEN en los ángulos de la molécula, luego no se tienen en cuenta a la hora de determinar la geometría final de la molécula

Geometría angular

2.2.3) Fuerzas intermoleculares • Fuerzas que existen ENTRE MOLÉCULA Y MOLÉCULA de una sustancia y que determina sus propiedades físicas • Mucho más débiles que el enlace iónico • Dentro de ellas existe una variación…porque hay diferentes tipos • Es necesario saber si las moléculas serán o no polares para poder determinar el tipo de interacción intermolecular que actúa entre ellas

Clasificación de los tipos de fuerzas intermoleculares entre moléculas de una misma sustancia Van der Waals FUERZAS INTERMOLECULARES Enlaces por puente de hidrógeno

-

De dispersión o de I London n t Dipolo-dipolo o de e n orientación s i d a d

+

Van der Waals: Dispersión de London • Aparecen entre moléculas APOLARES • El acercamiento entre las moléculas hace que se repelan momentáneamente las nubes electrónicas, INDUCIENDOSE DIPOLOS MOMENTANEOS

Son más intensas cuanto más masa molecular tenga la sustancia

Comparación entre el F2 y el I2

F2, gaseoso a temperatura ambiente

I2, sólido a temperatura ambiente

Van der Waals: Dipolo-dipolo • Aparecen entre moléculas que son un dipolo permanente (es decir, moléculas POLARES). • Los dipolos moleculares se atraen mediante fuerzas electrostáticas enfrentando polos opuestos

Son más intensas cuanto más masa molecular tenga la sustancia

Enlaces por puente de hidrógeno • El enlace H-O, H-F y H-N está muy polarizado debido a la gran diferencia de electronegatividad entre esos tres elementos y el hidrógeno. • Aquellas moléculas POLARES, que contengan dicho enlace, presesentarán este tipo de fuerza intermolecular, la mas intensa de todas.

Enlaces por puente de hidrógeno • Es un enlace muy direccional, que hace que las sustancias que lo presentan tengan puntos de ebullición ANÓMALOS respecto de las sustancias del mismo tipo

• Ver cuestión 9 de la fotocopia

Cuestión 9 1. Describe y analiza la información que da la gráfica. 2.Justifica esos resultados mediante el modelo de enlace correspondiente

Clasificación de los tipos de fuerzas intermoleculares entre moléculas de distintas especies químicas Dipolo-dipolo

FUERZAS INTERMOLECULARES (Entre especies distintas)

Dipolo-dipolo inducido Ion-dipolo

1. Dipolo- dipolo

Ambas sustancias son polares, una es muy soluble en la otra

2. Dipolo- dipolo inducido

3. Ion - dipolo Aparecen sobre todo en procesos de disolución de sustancias iónicas en disolventes polares. Interacción entre los iones y los polos de las moléculas

Cuestión ¿Cómo es la estructura interna de un gas noble como el Helio?

¿Existen fuerzas entre los átomos de dicho gas?

2.2.3) Sustancias covalentes atómicas • El enlace químico en este tipo de sustancias se explica también mediante el modelo de enlace covalente (TODAS LAS TEORÍAS VISTAS), solo que a diferencia del anterior, no se formarán moléculas, sino CRISTALES, en los que los átomos se unen entre sí mediante enlaces covalentes, extendiéndose en las tres direcciones del espacio. • Estas sustancias hay que identificarlas aprendiendo sus fórmulas químicas

Sustancias covalentes atómicas • Las sustancias covalentes atómicas suelen tener puntos de fusión y ebullición relativamente bajos comparados con sustancias iónicas o metálicas

NaCl

801

1461

¡¡¡Sin embargo el SiC es de…2700 ºC!!! • ¿Cómo se explica esto?

Igualmente el carbono elemental, C, en su forma ALOTRÓPICA DE DIAMANTE

Punto fusión aproximado de 3600 ºC

Otro ejemplo es el SiO2 (sílice)

¿Qué propiedades físicas esperamos para estas sustancias? • Muy poco solubles en disolventes polares y apolares (El cristal es apolar y además las moléculas de disolvente no pueden romper los enlaces covalentes) • Muy duros (en su estructura interna solo hay enlaces covalentes en todas direcciones, que son enlaces muy fuertes) • Altos puntos de fusión y ebullición • Malos conductores de la electricidad y del calor (no presentan cargas libres en su estructura interna y sus átomos vibran muy poco)

Otras formas alotrópicas del carbono, C , con propiedades muy distintas: GRAFITO

EL grafito tiene como propiedades… • Es exfoliable y se puede disponer en capas apilables, dando lugar a materiales flexibles muy resistentes o materiales rígidos. • Conduce excelentemente la electricidad (electrones de los orbitales p no híbridos pueden fluir entre capa y capa? • Sus puntos de fusión y ebullición son ligeramente inferiores al del diamante.

Sin embargo el carbono presenta una tercera forma alotrópica que sí es molecular…

Harold Kroto. Wisbech, Inglaterra, 7 de octubre

Fullereno C60

De gran utilidad biomédica • Incluir en el interior del fullereno otro tipo de moléculas, para viajar por el interior del organismo humano a determinados puntos diana

Y más…los nanotubos de carbono

Radio < 2nm

Longitud 100000nm

2.3 Modelo de enlace metálico • Como siempre, buscamos un modelo para explicar las propiedades de las sustancias que estudiamos, en este caso los metales, 75% de la tabla periódica

• Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos de los metales entre sí. • Los átomos metálicos dejan libres electrones s y d adquiriendo estructura de gas noble u otras estructuras electrónicas especialmente estables • Este enlace sólo puede estar en sustancias en estado sólido

Estructura: • Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras cristalinas muy compactas muy compactas. • Hay tres tipos de redes cristalinas metálicas

Tipos de redes cristalinas

• Para dar explicación a estas propiedades, usamos como siempre modelos de enlace. • En este caso el modelo mas simple es el llamado MODELO DE NUBE ELECTRÓNICA

• Los elementos con un enlace metálico están compartiendo un gran número de electrones de valencia, formando un mar de electrones rodeando un enrejado gigante de cationes • El enlace metálico es no polar, apenas hay diferencia de electronegatividad entre los átomos que participan en el enlace.

puede explicar un deslizamiento de capas, dando por resultado su característica maleabilidad y ductilidad.

OTRO MODELO BASADO EN LA QUÍMICA CUÁNTICA… • Modelo de Bandas En la red cristalina interaccionan un elevado número de átomos del metal, solapando entonces un elevado número de orbitales atómicos, dando lugar a un elevado número de niveles energéticos muy cercanos unos de otros (pero siempre discretos, pues la energía sigue estando cuantizada) Dado que son un elevado número de niveles de energía muy próximos, da como resultado una banda de niveles de energía en las que se pueden mover los electrones.

Hay dos tipos de bandas • La de valencia, como resultado del solapamiento de orbitales atómicos que alojan electrones • La de conducción, como resultado del solapamiento de orbitales atómicos vacíos. • Los electrones pueden desplazarse de una a otra, dando lugar al fenómeno de la corriente eléctrica

Tres posibles situaciones entre la banda de valencia y conducción