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LA ELECTRONEGA TIVIDAD y LOS MATERIALES EL TRIÁNGULO DEL ENLACE Banuet, Guillermo Salas; Ramírez Vieyra, José G. Departamento

de Ingeniería Metalúrgica. Facultad UNAM. 04510. México. D.F. E-mail: [email protected]

de Química.

AJás importante que el conocimiento

es pensar sobre él.

Resumen Se propone una dinámica -usando el triángulo del enlace para materiales- como una guía para pensar sobre la clasificación de los enlaces, relacionándolos a su electronegatividad, para entender y relacionar conceptos de estructura y propiedades en los compuestos estudiados y utilizados en el campo de la Ciencia e Ingeniería de Materiales (CTM) y para aplicarla en las materias de química antecedentes a las de CTM. Abstract A method based on the use of the over the bonding classification by relating understand structure and property concepts field of Materials Science and Engineering courses.

bond triangle for materials is proposed as a guide to thinking them to electronegativity. The triangle is also employed to and to relate them, for compounds utilized and studied in the (MSI). The authors suggest its use in introductory chemical

Introducción En las Escuelas y Facultades donde se ofrecen carreras y materias relativas a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales (CIM), las materias básicas de química -pertenecientes a un tronco común y antecedentes de las de CTM- tienen retos que muchas veces se obvian. Las materias introductorias de química tienen la difícil tarea de proveer a los alumnos con el entendimiento de los conceptos básicos claros -sobre la estructura y las propiedades·- y con el de todas las posibles relaciones entre esos conceptos, que les ayuden a enfrentar la mulidiscip]inariedad de las materias de CIM. En estas últimas se requieren los conceptos científicos e ingenieriles sobre los materiales (polímeros, cerámicos y metales), que presentan propiedades especiales para ser fabricados por la industria tradicional y ]a sofisticada, que le permitan al ingeniero producirlos o aplicarlos creativamente en la industria. Para un ingeniero en materiales los cuatro aspectos importantes de un material son los siguientes: l.

La estructura, íntimamente relacionada a la composición;

2.

Las propiedades (medidas de resistencias determinadas por la estructura;

3.

Los comportamientos del material, durante su uso y fabricación, manera relativa los diferentes valores de una propiedad; y

4.

Los procesos de fabricación, seleccionados a partir del establecimiento de ambos comportamientos.

mecánicas,

ingenieriles,

físicas, entre muchas otras), que se definen al comparar de

Según W, B. Jensen (1998), la química relaciona tres niveles de estructura -que incluyen a la composición- con las propiedades químicas, físicas y fisicoquímicas:

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El nivel eléctrico. Es el grupo de partículas eléctricas: electrones, protones y neutrones. Es posible modificar las propiedades alterando tanto la composición electrónica (creando iones) como la estructura electrónica (creando estados excitados); se pueden producir cambios detectables alterando la composición o la estructura intranucleares (creando los llamados isómeros nucleares). Este nivel está relacionado a la interpretación del espectro, los calores de atomización, las entropías espectroscópicas, las energías de activación, los índices de reactividad electrónica, etc. Algunas propiedades son: los potenciales de ionización, los estados de oxidación, la masa y el peso atómicos, la valencia, el número de oxidación y la afinidad electrónica, entre otros. El nivel molecular. La composición es aquella relacionada a la clase y al número de átomos presentes en una molécula (el inventario de" las partes usadas para ensamblar la molécula); en el caso de las especies moleculares discretas tiene que ver con las fórmulas empírica y absoluta (o molecular). Como variaciones de la composición absoluta se tienen a los alomorfos (los polímeros) y de la estructura a los isómeros. La estructura está relacionada a la conectividad de los átomos presentes y a su arreglo espacial. Este nivel está vinculado a la interpretación de los calores de formación molecular --en términos de los calores de atomización-, a las energías de enlace promedio, a las entropías de activación, etc. Algunas propiedades son: los puntos de ebullición, de fusión, críticos y de inflamabilidad; el peso, la masa y el volumen moleculares; y los límites de explosividad, entre otras. El nivel molar. Es el nivel macroscópico (lo relativo a la composición de las substancias puras simples o a los compuestos, soluciones y mezclas); dos materiales pueden contener la misma clase de elementos y la misma composición, en peso, pero presentar propiedades diferentes, que se explican por las diferencias en estructura (fases y microconstituyentes), que se ubican en un nivel diferente (el de la cristalografía y la microscopía óptica) a los tres mencionados. Su uso está en los dominios de la mineralogía, la química del estado sólido, la metalurgia y los materiales. Este nivel está conectado a las entropías calorimétricas, los calores de formación, las energías libres, las constantes de equilibrio, las entropías y los calores de activación de la mole, etc. Algunas propiedades son: las resistencias eléctrica, térmica y mecánica; la susceptibilidad magnética, el coeficiente de expansión térmica, entre otras. Existen dos postulados fundamentales estructura con las propiedades:

de la química que interrelacionan

Las propiedades específicas de las substancias, molecular, concentración y temperatura; y

a los tres niveles de la

al nivel molar, están en función de su carácter

El carácter molecular de un material está en función de su composición electrónica y nuclear (Jensen, 1998).

y de sus estructuras

Con esos postulados en mente, no es dificil entender la afirmación referida al enlazamiento atómico: "Las propiedades físicas y químicas de los materiales están influenciadas fuertemente por los enlaces atómicos y, así, por los electrones de valencia más externos" (AlIen, 1999, 11). Por otro lado, algunos libros de texto introductorios tipos de enlaces atómicos principaíes, el covalente, el iónico dos primeros, señalando al tercero como una clase especial ionicidad es una característica del enlace covalente entre dos posibilidad de que existan enlaces intermedios. Los libros de

de química plantean la existencia de tres y el metálico; algunos consideran sólo los

de enlace covalente; otros plantean que la átomos diferentes; pero ninguno expone la texto introductorios de CIM reconocen los

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tres tipos de enlace pero los relacionan directamente a los tres tipos de materiales, explicando que el enlace metálico existe en los metales, el iónico en los cerámicos y el covalente en los polímeros. Tradicionalmente, a los alumnos se les ha informado que se puede vincular el tipo de enlace con la electronegatividad -en especial con la diferencia entre las electronegatividades de los elementos atómicos que forman la molécula-, con una regla general que viene de los planteamientos de Pauling respecto al enlace: sin diferencia entre las electronegatividades se obtiene un enlace covalente y con mucha, uno iónico; el problema está en definir cuánto es poco y cuánto mucho o, en otras palabras, lo que sucede con las moléculas que presentan diferencias medias. El triángulo del enlace para materiales. Una alternativa sencilla para: explicar y relacionar los conceptos de estructura y propiedades, establecer la posibilidad de existencia de enlaces que no son solamente los tipo§., introducir los conceptos químicos al campo de CIM y abrir una posible explicación a la diferencia de propiedades en múltiples materiales, está en el triángulo propuesto y usado por Nathaniel W. Alcock (1990) en su libro "Enlace y Estructura. Principios estructurales en química inorgánica y orgánica". En el prefacio (p.ll) afirma: "A nivel atómico, sólo las fuerzas electrostáticas son responsables de los enlaces en los elementos químicos y en los compuestos. No obstante, estas fuerzas se manifiestan en una gran variedad de formas, desde los electrones deslocalizados del sodio hasta los contactos de van der Waals en un gas noble. Convencionalmente, los libros de texto se han concentrado en los compuestos covalentes y iónicos. Creo fueltemente que el enlace debe considerarse como una unidad." Más adelante, en la sección 1.2 (p.18) fundamenta: "Debido a que el enlace implica la interacción de los electrones de valencia con los átomos enlazados, la fuerza de la interacción entre los electrones de valencia y los átomos juega una parte dominante en la determinación de la naturaleza del enlace. Es, por lo tanto, de la mayor utilidad tomar a la electronegatividad como una guía del enlace." Alcock indica en la misma página, que si se relacionan los elementos A y B de los compuestos tipo AmBn desde el elemento menos electronegativo-el de la menor habilidad para atraer electroneshasta el más electronegativo, se cubrirán todos los tipos de enlace principales; que la relación entre la atracción electrónica y el enlace puede mostrarse en un cuadrado en el que se varía a los elementos A a lo largo de uno de sus lados y a los B a lo largo del btro, ambos ordenados desde una baja electronegatividad hasta una alta; y que si se toman siempre a los elementos B como aquellos que tienen la electronegatividad mayor, se necesitará considerar sólo la mitad del cuadrado (Fig. l), quitando el área limitada por las líneas punteadas. Alcock utilizó la escala de electronegatividad de Allred y Rochow cuyos valores se presentan en la tabla periódica de la Fig._2. El resultado será el triángulo del enlace (Fig. 3), cuyas esquinas representan a los tres tipos de enlace principales: si A y B son electropositivos se tendrá un enlace metálico; si A es poco electronegativo y B muy electronegativo se obtendrá un enlace iónico; y si ambos son electronegativos se encuentra un enlace covalente. La zona media es comúnmente ignorada y contiene a los compuestos con un enlace intennedio. Sobre la línea diagonal caen tos elementos A y B, que muestran enlaces metálicos, covalentes o intermedios, ninguno iónico. Los compuestos se ubican en áreas del triángulo más o menos definidas. Los compuestos usados por Alcock se encuentran en la Tabla 1. El triángulo tiene límites, el más evidente es que no sirve para clasificar a los materiales.

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de la construcción del triángulo del enlace según Aleock (1990, 19)

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Fig. 2. Valores de la electronegatividad decimal (en Aleock, 1990,23).

de Allred y Rochow para los elementos,

redondeados

a un

La dinámica Se sugiere utilizar el triángulo del enlace en lugar de impartir la clase tradicional sobre el enlace quimico, de la siguiente forma: Durante el horario de clase, plantearle a los alumnos los antecedentes presentados vn la introducción de este escrito, sin darles ninguna información relativa al triángulo; Formar equipos de trabajo con un máximo de cinco alumnos; Entregarles el listado de compuestos que se van a utilizar (Tabla 1) e indicarles que deberán graficar los datos de la diferencia de electronegatividades para cada compuesto, usando los valores de la Fig. 2, en la forma en que se indica dos párrafos arriba (los límites del triángulo serán los que tiene el triángulo de la Fig. 3); Una vez que los alumnos hayan obtenido ese triángulo, deberán contestar un cuestionario -formulado por el docente- que oriente su pensamiento con preguntas tales como: ¿Se aprecia algún orden en los compuestos graficados? ¿Qué representa (qué nos está diciendo) el triángulo del enlace? ¿Qué representa cada vértice del triángulo? ¿Qué significa que ningún compuesto se ubique sobre los vértices del triángulo? ¿Qué se puede decir de los enlaces de los compuestos graficados? ¿Qué sucedería si se aumentaran o disminuyeran los límites del triángulo y qué significado tendría cada acción? ¿Qué se puede decir del enlace metálico?

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¿Qué significado tiene que un compuesto esté ubicado cerca de los vértices del triángulo (escoger uno para cada esquina)? ¿Qué se puede decir del enlace de un compuesto que esté ubicado en el centro del triángulo? ¿Qué significa, con respecto a su enlace, que los elementos se encuentren sobre la línea diagonal? ¿Qué propiedades interesantes presentan los compuestos graficados? ¿Qué usos tienen? ¿A qué posible parámetro están relacionadas esas propiedades? ¿A cuál nivel de estructura química pertenece la electronegatividad? ¿Es correcto relacionar a la electronegatividad con el tipo de compuesto? ¿A cuál(es) nivel(es) de estructura está relacionado el triángulo? ¿De qué manera se puede relacionar el triángulo a los dos conceptos fundamentales de la química que relacionan a la estructura con las propiedades? ¿Es la electronegatividad una propiedad? ¿Sirve el triángulo para clasificar materiales?

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OE:4ruc:tltT Si6017, SiO) NaTI, NaSn, KTI, CsTl, NaSi, LiP, LiGa, Liln, Mg2Si, NazTl, CaSn), CS4Ge9, Cs4Pb9, K4Pb9, Kgln¡ 1> RbIZSiI7, Rbglnll, CSglnll' KgTI'1> RbgTIII> CsgTII1> RbISTIn, Cs1sTln CSgGall, KIOT1¡, K)Gal3, K)Ga9, RbISTa27, CSIsTa27, K6T117, KGa), LhGa7, Li2Ga7, NaGal), NaGa13, RbGa7, LisGa9, Na22Ga)9, Rb2In), Na7Inll.g, Na1Sln2H, K)Biz, Rb)Biz, Cs)Bi2, KsBi4, RbsBi4, CssBi4, KsSb4, RbsSb4, CsSSb4, BaSi2, Caln2, Rb60, Rb902, Cs40, Cs70, Cs! lO)

Comp. intersticiales

TiC, TiN, TiH, CrN, CrH, TaC, TaN, WC, ZrC, ZrN, NbC, NbN, HfC,

Haluros de metales alcalinos

LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, LiCI, NaCI, KCI, RbCl, CsCI, FrCI, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, FrBr, Lil, NaI, KI, RbI, CsI, Frl

Elementos metálicos

Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Ca, Sr, Ba, Ra

Fases Zintl

Aleaciones

Moléculas covalentes

RbK, BaEu, WV, MoV, NbW, TaNb, TaMo, MoW, ReOs, RuRe, RuOs, AgAu, CuAu, PdAg, PtAu, TaW, MgAg, CdAg, MgAu, InPd, AICo, Ag)In, AI2Ce), HgAg, Ag)AI, Au)Al, Au)ln, AusSn, ZnAg, CU6Ge, Ag)Ga, Ag)In, AgsSn, Ag7Sb, Na)IPbg, CusHgg, Ag)In4, MnsZn21>AusZng, AgsAIJ, AgCd), AuZn), Ag)Sn H2, CH4, C2H2, C2H4, PCIs, SF4, CF4, CN, CO, CO2, Nz, NOz, O), BF)

Bibliografía • Alcock, N. W., Bonding and Structure. Structural Principies in lnorganic and Organic Chemistry, ElIis Horwood Limited, Great Britain, 1990. • AlIen, S.M. and Thomas, E.L., The Structure ofMaterials, J. Wiley, New York, 1999. • Jensen, W. B., "Logic, History, and the Chemistry Textbook. I. Does Chemistry Have a Logical Structure?", JournaI ofChemical Education, 1998, Vol. 75, No. 6, pp. 679-687.