1 TEORA ATMICAY ENLACE QUMICO 2 Introduccin: Los griegos y el tomo. En la bsqueda de una explicacin sobre la constitucin de la materia, los griegos desarrollaronvariasideas,entrelascualesdestacanlasplanteadasporAristteles, Leucipo y Demcrito. Aristteles crea que la materia estaba conformada por la mezcla de cuatro elementos o fuerzasfundamentales,quedenomin:aire,agua,tierrayfuego.Entreestosestaban estadosintermediosporlosquelamateriapasabaensuprocesodetransformacin: caliente, seco, hmedo y fro. Leucipoencambioplanteoquesilamateriaeradivididaenformaconsecutiva,el proceso no tendra el carcter de infinito, sino que se llegara a una partcula pequea e invisiblequeyanopodraseguirdividindose.MstardeDemcritobautizaesta partcula como tomo.Sinembargo,esteprimermodeloconstituyeelresultadodeaplicarelpensamiento racionalsobreloshechosobservados,sinlacomprobacinexperimentalquesuele acompaar a nuestros conocimientos actuales. Es por tanto, un modelo no emprico. El modelo de Dalton. Laprimeracomprobacinexperimentaldelaspropiedadesdelostomosque caracterizaban la materia, lleg de la mano de John Dalton (1766-1844). Las leyes de combinacin de los elementos para formar compuestos: Ley de Dalton de las proporcionesmltiples,leydeProust(1754-1826)delasproporcionesdefinidas,laley de Lavoisier (1743-1794) de la conservacin de la masa en las reacciones qumicas y la leydeAvogadro(1776-1856),hablabanindirectamentedelascaractersticasdeestos tomos. DaltonsepercatdeestoytomandocomobaselasideasdeLeucipoyDemcrito, planteaunmodelo,queadiferenciadelosgriegos,esemprico.Susresultadoslos publica en 1808 en su obra titulada New System of Chemical Philosophy. Principios del modelo de Dalton 1.- Los tomos son partculas reales separadas o independientes que no se pueden dividir por ningn proceso qumico conocido. 2.- Los tomos del mismo elemento (oxgeno, cobre, oro, etc.) son iguales entre s en todos sus aspectos y de igual peso. 3.-Lostomosdeelementosdiferentestienenpropiedadesdiferentes,comopeso, afinidad, etc. 4.- Los compuestos qumicos estn formados por la unin de tomos de distintos elementos en simples proporciones numricas. El Modelo de Thomson La electricidad tiene la palabra Los griegos saban de ciertos fenmenos, como por ejemplo, el que observaban al frotar con piel animal un trozo de mbar () que en griego se dice elektron. El resultadoeraqueelmbar(saviafosilizada)podaatraer,deestamanera,trocitosde hierba seca. 3 Posteriormenteyalrededordel1800,hombresdecienciadelatalladeB.Franklin (1706-1790), A. Volta (1745-1827), L. Galvani (1737-1798), A. M. Ampre (1775-1836), M.Faraday(1791-1867)investigaronestefenmeno,quellamaronelctricoyquese presentaba en slidos (metales) y en sales disueltas o fundidas. Faltaba por investigar el comportamiento elctrico de los gases. W.Crookes(1832-1919)desarrollo,amediadosde1800,un aparato, que se denomin tubo dedescarga.Enlcomprob quealaplicarunadescarga elctricasobreungas encerrado,stebrillaba intensamente.Perosiextraa parte del gas, la brillantez de la luz iba cediendo y daba paso a un dbil haz que parta en el ctodo y terminaba en el nodo.Denomin a estas emisiones: rayos catdicos. Posteriormenteinvestiglanaturalezadeestosrayos, notando que posean carga elctrica negativa. Las partculas negativas que formaban el rayo catdico fueron bautizadas como electrones. En 1886 E. Goldstein (1850-1930) descubre los rayos positivos o rayos canales y J. J. Thomson (1856-1940), determina en 1898 la relacin carga/masa (q/m), que le permite afirma que: La masa de la partcula positiva tena alrededor de 1800 veces ms masa que la partcula negativa. Con estos antecedentes, Thomson postula un nuevo modelo para el tomo. Modelo de Rutherford Descubrimiento de la radiactividad CasialempezarelsigloXXH.Becquerel(1952-1908) descubrequeunmineraldeuraniotienelacapacidad naturaldeproduciremisiones.Lograidentificarsus caractersticas y las bautiza como rayos o, y . Principios del modelo de Thomson 1.- La materia es continua y est formada por tomos elctricamente neutros. 2.Lamasadelostomosposeecargaelctrica positiva. 3.-Loselectronesestnincrustadosenlamasadel tomoencantidadsuficienteparagarantizarla neutralidad. 4 LosrayososondenaturalezapositivaylosidentificacontomosionizadosdeHe,los rayos , en cambio, estn conformados por partculas negativas. Finalmente, los rayos no tienen carga ni masa, concluyendo que son energa pura. MCurie(1867-1934)yP.Curie(1859-1906),continuarnconlasinvestigaciones comenzadasporBecquerelydescubrirndosnuevos elementos,elPolonioy elRadio, inaugurando as la era de la Radiactividad. Experimento de Rutherford Rutherforddirigilas emisionesdeunafuente radiactivasobreuna lminadelgadadeoro. Parapoderdetectarlas partculasoqueusara comoproyectiles,rodeo todoconunapantalla recubiertade ZnS(sulfuro decinc),queesun centellador,esdecir,unasustanciaquealserimpactadaporlaspartculasproduce destellos. Principios del modelo de Rutherford 1.- La materia est formada por tomos que presentan un gran espacio vaco. 2.- La masa del tomo est concentrada en un espacio pequeo y central, llamado ncleo, que posee carga elctrica positiva 3.-Loselectronesgirandescribiendorbitasalrededordelncleoyseencuentranen cantidad suficiente para asegurar la neutralidad elctrica. Conceptos relacionados con el tomo: NmeroAtmico(Z):Cantidaddeprotonesqueposeeuntomo.Sieltomoes elctricamenteneutro,elnmeroatmico,correspondertambinalacantidadde electrones. Nmero Msico(A):Correspondea lasumadelosprotonesyneutronesqueposeeun tomo Notacin:SeaXelsmbolodeunelemento,podemosanotarZyA,delassiguientes formas: Tipos de tomos Istopos: tomos que presentan igual Z y distinto A. Ejemplo: 8O16, 8O17 Isbaros: tomos que presentan distinto Z e igual A. Ejemplo: 7N14, 6C14 5 Istonos: tomos que presentan igual cantidad de neutrones. Ejemplo: 14Si30, 15P31 Cationes: tomos que han perdido uno o ms electrones. Ejemplos: Na +, Ca+2, Fe+3 Aniones: tomos que han recibido o capturado uno o ms electrones. Ejemplos: S-2, F- Nota: Los cationes y aniones se clasifican en general como iones. Las partculas subatmicas Valores de Carga y Masa de las partculas subatmicas (En S.I) PartculaCarga (Coulomb)Masa (Kg) Protn 191.602110271.6725 10Neutrn0 271.6748 10Electrn 191.602110319.109110 PartculaCargaMasaSmbolo Protn+11p Neutrn01n Electrn-11/1840e 6 Origen de la teora cuntica AunqueelmodeloatmicodeRutherfordexplicabaconxitolasevidencias experimentales observadas hasta el momento, era en s mismo inconsistente. Yaeraconocidoenaquellapocaquecuandounacargaelctricasemuevecon movimientoacelerado,pierdeenergaenformaderadiacinelectromagntica.Porlo tanto, como el electrn en movimiento circula alrededor del ncleo est sometido a una aceleracin centrpeta, debe perder energa en forma de radiacin electromagntica. Laprdidadeenergaconduciraaquelatrayectoriadelelectrnfueracadavezms cercanaalncleohastaqueelelectrnterminaraprecipitndosesobrely aniquilndose.Porelcontrario,sabemosqueeltomoesunsistemadepartculas estables.Porlotanto,esnecesarioestablecerotromodeloatmicoque,ademsde ofrecer explicacin a los fenmenos observados, no vulnere las leyes de la fsica. Espectros atmicos de emisin Loscuerposcalientesemitenenergaenformaderadiacin,ylohacenenforma continua,esdecir,laradiacinestformadaportodaslasfrecuencias,desdelas pequeas a las grandes. Por elcontrario, el espectrode emisin de los elementosgaseososabajapresinnoes continuo,sinoquelaradiacinestformadaporalgunasfrecuenciasquesepueden separar por mtodos pticos (usando un prisma). Si la radiacin descompuesta en las distintas radiaciones que la componen se registra en una placa fotogrfica, se observan unas bandas de color sobre fondo negro, por lo que estos espectros se conocen con el nombre de espectros de rayas. Espectro de emisin del hidrgeno Elespectrodeemisindelhidrgenoeselmssencillodetodosy,porello,elms estudiado. Se compone de varias series de bandas, que aparecen en la zona ultravioleta, en la visible y en el infrarrojo. Laprimeraseriequeseobservfue,porrazonesobvias,ladefrecuencias correspondientes a la porcin visible del espectro. La descubri y estudi el fsico suizo J. 7 J.Balmer(18251898),porloqueseconoceconelnombredeseriedeBalmer.En 1885 obtuvo una forma emprica que reproduca numricamente laslongitudes de onda de las radiaciones observadas. Rn21 1 14| |= |\ . donde: Longitud de onda de la radiacin que genera cada lnea. R: Constante de Rydberg, cuyo valor es: 1.097 107 m-1. n: Variable que puede tomar valores enteros mayores que 2. Alestudiarlaradiacinnovisiblesedetectaronotrasseriesdelneasorayasquese conocen, tambin, con el nombre de sus descubridores: Lyman, formada por radiacin ultravioleta Paschen, Brackett y Pfund, formadas por radiacin infrarroja ElfsicosuecoJ.Rydberg(18581919)halllaexpresinempricaquerelacionalas longitudes de onda de las radiaciones observadas en las diferentes series espectrales del hidrgeno.staesmuysimilaralaobtenidaporBalmerparalaserievisibledel espectro. La ecuacin de Rydberg es la siguiente: Rn n2 21 21 1 1| |= |\ . donden1 y n2: Variable que puede tomar valores naturales, de manera que n1E1. 3.-SiunelectrnubicadoenunarbitacuyaenergaesE2,decaeodesciendeauna rbita de energa menor E1, el tomo emitir energa cuyo valor ser igual a la diferencia energtica entre ambos estados. E =E1-E2 sta diferencia, ahora, ser negativa, ya que E2 >E1. El modelo de Bohr en tela de juicio: El principio de incertidumbre de Heisenberg Para ver como se mueve un electrn dentro del tomo, sera necesario iluminarlo (nosotrosvemoselmundoquenosrodeagraciasalaluzqueincideenlosobjetos,se reflejayllegafinalmenteanuestrosojos).Sinembargo,aliluminarunelectrn,ste tomarlaenergapresenteenesaluzylausarparamoverseaotronivelo simplemente para escapar del tomo. De este modo,no es posible saber exactamente dondeseencuentraeseelectrn,nimenosdeterminaraquvelocidadseest moviendo. Werner Heisenberg, se dio cuenta de esto y lo present a travs del siguiente postulado, conocido como principio de incertidumbre. No es posible determinar en forma simultnea (o sea al mismo tiempo) la velocidad y la posicindeunelectrn.Aldeterminarunadeellas,laotravariablequeda indeterminada La consecuencia de este principio es que debemos desechar la idea de que el electrn se mueveenunarbitafijaydeterminada.Porelcontrario,diremosqueelelectrnse 10 mueve dentro de un espacio virtual, en el que la posibilidad (probabilidad) de encontrarlo es alta. Este espacio lo llamaremos orbital. Modelo atmico actual La mirada dada por Heisenberg sobre el movimiento de los electrones en el tomo, mselaportedeLouisdeBroglieacomprenderlanaturalezadualdelaluz(laluzse comportadedosformas:macroscpicamentesemanifiestacomounaonday subatmicamente,comounapartcula),llevaErwinSchrdingeraplantearsequeel electrn se mova en forma ondulatoria. De esta manera Schrdinger aplic una ecuacin alproblema,quellamaremosecuacindeonda.Lassolucionesdeestaecuacinque es, matemticamente muy compleja, se conocen como los nmeros cunticos. Los nmeros cunticos Los nmeros cunticos son de cuatro tipos: 1.-Nmerocunticoprincipal(n):Permiteindicarelnivelenqueseencuentrael electrn.Siimaginamoseltomocomounedificiodedepartamentos,nindicarael piso en el cual se encuentra el electrn Su variacin es la siguiente n = 1, 2, 3, 4, , 11 No olvidemos que estos nmeros corresponden a soluciones de una ecuacin, por lo que matemticamenteestncorrectas.Perosilollevamosaloreal,significaraunedificio con infinitos pisos. Por lo tanto, slo vamos a considerar que n vara de 1 a 7. Es decir, n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. 2.- Nmero cuntico secundario (l): Indica el tipo de orbital que ocupa el electrn. En nuestroejemploanteriordiramosquecorrespondealtipodedepartamentoque ocupar ese electrn. Al comienzo de esta pgina puedes ver cmo son los distintos tipos de orbitales. Vamos a usar una notacin para indicar a que orbital nos estamos refiriendo. Valor para lTipo de orbital 0s 1p 2d 3f Lavariacindelnmerocunticol,estrelacionadoconelvalordelnmerocuntico principal, n: l = 0, 1, 2, 3, 4, ,(n 1) 3.-Nmerocunticomagntico(m):Indicalaorientacinquepuedentomarlos orbitales de un mismo tipo, en un nivel determinado. La variacin de m est relacionado con l, de la siguiente manera: -l, , 0, ..+l De esta manera, si l= 1, m=-1, 0, +1 o si l = 2, m = -2, -1, 0, +1, +2. 4.- Nmero cuntico de spin (s): Toma dos valores. s = y s = - Este nmero est asociado a la idea de que el electrn gira o rota en unsentido o en el otro. Relaciones entre l y m, para un n cualquiera Veamos cmo se relacionan los valores de n, l y m, adems de la notacin que se usa. nlDesignacinmDesignacinNotacin general 10s0s1s 20S0s2s 21p-1px2px 21p0py2py 21p+1pz2pz 12 30s0s3s 31p-1px3px 31p0py3py 31p+1pz3pz 32d-2d13d1 32d-1d23d2 32d0d33d3 32d+1d43d4 32d+2d53d5 Por ejemplo, la notacin siguiente significa: Configuracin electrnica Correspondealordenamientodeloselectronesdeuntomoensusorbitalesy niveles Para realizar la configuracin electrnica de un elemento cualquiera nos fijaremos en su nmero atmico (Z), asumiendo que dicho tomo es elctricamente neutro y seguiremos una serie de regla que se detallan ms abajo. Principios de Construccin o de Aufbau 1.-Principiodelamnimaenerga:Loselectronesseubicarnenlosnivelesy orbitalessiguiendounordenqueirdelamenoralamayorenerga.Esdecir,los electrones se ordenan segn energa creciente de sus niveles y orbitales. 2.-PrincipiodeexclusindePauli:Nopuedenexistirdoselectronesquetenganlos cuatro nmeros cunticos iguales.Estolopodemostraducirdelasiguientemanera:porcadaorbitalpodremosponer como mximo 2 electrones.Sabemos que existen cuatro orbitales genricos: s, p, d y f. Pero segn el valor de m, hay: -un orbital tipo s -tres orbitales tipo p -cinco orbitales tipo d y-siete orbitales tipo f. Porlotanto,tendremosunacantidadmximadeelectronesquepodremosubicaren ellos. 13 Tipo de orbital Cantidad de orbitales N mximo de electrones s12 p36 d510 f714 3.-PrincipiodemximamultiplicidadoregladeHund:Estaregladellenadode electrones es aplicable a los orbitales p, d y f. Por ejemplo, los tres orbitales p (px, py, pz) tienen entre si la misma energa. Por lo tanto, al momento de llenarlos no sabramos por cual empezar. Esta regla nos dice que debemos tratar de poner los electrones de tal manera de que se favorezca el semillenado. Ejemplo:Ubiquemos4electronesenlosorbitales2p.Usaremosflechasverticalespara representar a los electrones y la convencin ser la siguiente: Entonces Diagrama de Moeller Este diagrama resume los tres principios del Aubau y permite de una manera ms fcil obtener las configuraciones electrnicas de los elementos qumicos. Laconfiguracinobtenidaparacadaelementoesgeneral,esdecir,noindicalas ordenaciones segn spin que indica la regla de Hund. Esto se obtiene en forma separada, una vez lograda la configuracin electrnica. El diagrama es el siguiente: 14 El llenado se comienza desde arriba siguiendo la direccin de las flechas. De esta forma seindicacualitativamentelaenergadecadanivelyorbital.Aspodemosentenderpor qu un orbital de cierto nivel se llena en primer lugar que otro. Si escribimos esta misma ordenacin horizontalmente, tendremos: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s Lacantidaddeelectronespresentesencadaorbitalseescribencomosuperndices(es decir, en forma de exponentes) Ejemplos: Escribamoslaconfiguracinelectrnicadel20Ca.Recordemosqueenlosorbitaless podemosponerunmximode2electrones,enlosp,unmximosde6,enlosd,un mximo de 10 y en los f, un mximo de 14 electrones. 2 2 6 2 6 220Ca 1s2s2p3s 3p4s = Veamos otro ejemplo, 17Cl: 2 2 6 2 517Cl 1s2s2p3s 3p = Los Gases Nobles Losgasesnoblescorrespondenaelementosquepresentanunagran estabilidad, por lo cual, en trminos generales, no se hayan formando molculas. Todos son gases monoatmicos. Los gases nobles que nos interesan son: Helio, Nen, Argn, Kriptn y Xenn. El Radn, esun gasnoble,perosuinestabilidadnuclear(esun elementoradiactivo)hacequeno sea considerado en relacin con las configuraciones electrnicas. 15 Adems, las configuraciones de los gases nobles, son llamadas de capa completa, dado que con los electrones que poseen alcanzan a completar el nivel correspondiente. Veamos esto: Configuraciones abreviadas Podemos abreviar la configuracin electrnica de un elemento, al reemplazar parte de ella, por la de su gas noble ms cercano. Veamos un ejemplo. El azufre tiene la siguiente configuracin electrnica 2 2 6 2 416S 1s 2s 2p 3s 3p = El gas noble Nen tiene la siguiente configuracin 2 2 610Ne 1s2s2p = Luego, la configuracin abreviada del azufre ser | |2 416 10S Ne 3s 3p = Configuraciones electrnicas de los iones Recordemos que un ion corresponde a un tomo que ha perdido o ganado uno o ms electrones.Portanto, partiendodesunmero atmico Z,deberemosagregarle o quitarle electrones, para poder representarlos configuracionalmente. Ejemplo: Veamos la configuracin del catin Al3+: 16 La configuracin del aluminio elctricamente neutro (es decir, con todos sus electrones), es: 2 2 6 2 113Al 1s2s2p3s 3p = Como el catin Al3+ ha perdido 3 electrones, la configuracin electrnica de este ion ser: 3 2 2 613Al 1s 2s 2p+= Esta configuracin es equivalente a la del Nen. tomos isoelectrnicos Dostomosdedoselementosdistintossernisoelectrnicossisus configuraciones electrnicas son idnticas. Ejemplo: 3 2 2 613Al 1s 2s 2p+= y 2 2 611Na 1s 2s 2p+= Ambas configuraciones son isoelectrnicas con la del Nen 2 2 610Ne 1s2s2p = 17 La Tabla peridica de los elementos Laordenacindeloselementosenlatablaperidicapermiteagruparlos,en primera instancia, segn la forma en que estn llenando sus niveles y orbitales. Tenemosas,loselementos:Representativos(R),los elementosdeTransicin(T)ylosdeTransicininterna (TI). Adems,estaordenacinpermiteaproximarnosal entendimientodeciertoscomportamientosfsicosy qumicos,simplementecomparandosulejanaocercana con los elementos llamados gases nobles. Grupo y Perodo de un elemento qumico Definamos, en primer lugar, los conceptos de Grupo y Perodo: Perodo:Correspondealltimonivelqueseestllenandoenlaconfiguracin electrnicadeunelementoqumico.Elperododeunelementoqumicoseindica mediante nmeros arbicos, es decir, 1, 2, 3,4,. Grupo:Correspondealacantidaddeelectronesqueseencuentranocupandoel ltimo nivel. El grupo de un elemento qumico se indica mediante nmeros romanos, es decir,I,II,III,..Dependiendolazonadelatablaperidicaalaquepertenezcael elemento, se acompaar este nmero con A o B. Determinacin de Grupo y Perodo en la configuracin electrnica Tomemos,comoejemplo,laconfiguracinelectrnicadelfsforoydeterminemos su grupo y perodo. 2 2 6 2 315P 1s 2s 2p 3s 3p = Analicemos otro ejemplo. Escribamos la configuracin electrnica del selenio: 2 2 6 2 6 2 10 434Se 1s2s2p3s 3p4s 3d 4p = 18 Por ltimo, veamos como determinamos grupo y perodo para el manganeso. 2 2 6 2 6 2 525Mn 1s 2s 2p 3s 3p4s 3d = Elementos Representativos Deizquierdaaderecha,estoselementos forman8columnasogrupos(verfigura), designados con la letra A: I-A, II-A, III-A, IV-A, V-A,VI-A,VII-AyVIII-A.Estoselementosse caracterizan porque en sus configuraciones estn llenandoorbitalessyppertenecientesalmismo nivel. Observemoselllenado,tomandocomoejemplos los elementos del tercer perodo (tercera fila). 19 Cadaunodelosgruposestdesignadoporunnombrecaracterstico.Adems,los electronesqueseencuentranenelltimonivel,llamadostambin,electronesde valencia, participan en la formacin de los enlaces qumicos. Entonces, en forma general digamos que para un nivel n determinado, tenemos Elementos de Transicin Correspondealconjuntodeelementos qumicosqueseubicaenlapartecentraldela tablaperidica.Aligualquelosrepresentativos, forma8columnasogrupos,losquesedesignan con la letra B: I-B, II-B, III-B, IV-B, V-B, VI-B, VII-B y VIII-B. Sinembargo,elordenenqueellosestn dispuestos,noeselmismoqueseapreciaenlos representativosyademselgrupoVIII-Bquese encuentraenelcentrodeestaagrupacin, contienetrescolumnas.Indiquemosadems,quedentrodelaconfiguracinque caracterizaaestoselementos,seestnllenandolosorbitalesd,queseencuentran siempre un nivel ms abajo del ms exterior. Tomemos el perodo 4 y observemos las configuraciones de estos elementos. Grupo Configuracin caracterstica Nombre I-A 1nsAlcalinos II-A 2nsAlcalino-trreos III-A 2 1ns np Trreos IV-A 2 2ns np Carbonoides V-A 2 3ns np Nitrogenoides VI-A 2 4ns np Calcgenos VII-A 2 5ns np Halgenos VIII-A 2 6ns np Gases Nobles 20 Enelcasodeloselementoscromoycobre,seproduceunaanomalaenla configuracinelectrnica,queserelacionaconlaestabilidadquepresentaelorbitald semilleno o completo. La configuracin electrnica de estos elementos debe favorecer esta posibilidad.Portanto,laconfiguracinfinaldelelementovaaserdistintaenrelacin con este requerimiento. Veamos el caso del cromo. 21 Para el caso del cobre, sucede algo similar Entonces,deizquierdaaderecha, loselementosdetransicin,se ordenandelasiguiente manera: Elementos de Transicin interna Enestegrupo,seencuentrantodos aquelloselementosqueestnllenando orbitales f. Estos orbitales se encuentran dos niveles ms abajo del ltimo nivel presente en laconfiguracin,segnelordenamiento energtico que entrega el diagrama de Moller. Loformandosseriesdeelementos,Unade ellasdenominadaSeriedelosLantnidos, llamada de esa manera porque la encabeza el elementoLantano.Laotra,laSeriedelos Actnidos,serelacionaconelelemento Actinio, que encabeza dicha serie. Grupo Configuracin caracterstica III-B 2 1ns (n 1)d IV-B 2 2ns (n 1)d V-B 2 3ns (n 1)d VI-B 1 5ns (n 1)d VII-B 2 5ns (n 1)d VIII-B 2 6ns (n 1)d 2 7ns (n 1)d 2 8ns (n 1)d I-B 1 10ns (n 1)d II-B 2 10ns (n 1)d 22 Veamos un ejemplo: escribamos la configuracin del cerio. Todos los elementos de Transicin Interna pertenecen al Grupo III-B. En resumen diremos que TipoConfiguracin electrnica general Elementos de Representativos 1 2 0 6ns np Elementos de Transicin1 2 1 10ns (n 1)d Elementos de Transicin Interna 1 2 10 1 14ns (n 1)d (n 2)f 23 Propiedades Peridicas. Introduccin Muchasde laspropiedadesqumicasde loselementos seexplicanapartirdesuconfiguracinelectrnica,porlo quenoessorprendente,queelementosconconfiguraciones electrnicassemejantestenganpropiedadesqumicas similares. LosqumicosdelsigloXIXdescubrieronque laspropiedades fsicasyqumicasdeloselementos,tenancomportamientos peridicos,muchoantesquesedesarrollaralamecnica cuntica.Con el desarrollo de la tabla peridica moderna, las relaciones entreloselementosquedaronestablecidasdemanera definitiva. Paramagnetismo y Diamagnetismo Pordefinicin,unasustanciaparamagnticaseraquellaqueesatradaporun campomagntico.Esdecir,unimnpuedeatraerla.Mientrasque,unasustancia diamagntica, no lo ser. La explicacin de este fenmeno se logr al observar la distribucin de los electrones del ltimo nivel. Sienelltimonivel,seencuentranorbitalesquetienenunsoloelectrn(que llamaremosdesdeahora:electronesdesapareados),elelementopresentar paramagnetismo,mientrasquesipresentaorbitalesllenos(diremosqueloselectrones estn apareados), el comportamiento ser diamagntico. Veamos un ejemplo: ElLitio(Z=3),tienelasiguienteconfiguracin:1s22s1.Elltimonivel(n=2), tiene un solo electrn (electrn desapareado). Ello har que el Litio se paramagntico. Encambio,elHelio(Z=4),tienelaconfiguracin:1s22s2.Elltimonivel tendr, dos electrones con los espines opuestos. Esto har que el Helio sea un elemento diamagntico. Laexplicacinseencuentraenladisposicindelosespines.Silos electronesdentrodelosorbitalestienenespinesparalelos(ambosdelmismovalor, ejemplo+),sernafectadosporuncampomagntico.Mientrasquesiloselectrones tienen espines antiparalelos (uno con espn + y el otro con -), no ser afectado por un campo magntico. Efecto de apantallamiento Otrodelosfenmenosinteresantequepodemosexplicarapartirdela configuracin electrnica. Sabemos,porprincipio,queelncleoatmicotienecargapositivayqueloselectrones tienencarganegativa.Estoesimportante,yaquecargaselctricasdedistintosignose atraen(LeydeCoulomb).Porlotanto,unelectrnmovindoseenunorbitalsentir dicha atraccin. 24 2 . 2 Z8 . 8 11 Z Zefef= = o =Sinembargo,entomospolielectrnicos,sedaunasituacinbastantepeculiar.Los electrones ms externos sienten una menor atraccin por parte del ncleo. La explicacin que daramos sera: bueno!, eso es natural, ya que mientras ms alejado est el electrn, menor es la atraccin que el ncleo puede ejercer sobre l. Pero, a la luz de esta explicacin, resulta que la atraccin que el ncleo ejerce sobre ese electrn es an menor.Laexplicacindeestaanomala,seconocecomoefectopantallaoefectode apantallamientoyesocasionadoporloselectronesqueseencuentranenmedio entre el ncleo y el ltimo electrn. Esos electrones, dificultan que la atraccin elctrica que ejerce el ncleo sobre ese electrn ms alejado, sea ptima As, la carga nuclear efectiva (Zef), que es el trmino asociado a este concepto, ser la diferencia entre la carga ideal (la interaccin elctrica que debiera sentir el electrn solo, enrelacinasudistanciaalncleo)yelefectodeapantallamiento,queejercenlos electrones que se encuentra en medio. Determinacin de la Carga nuclear efectiva (Zef.) John C. Slater, desarrollo una constante, que denomin , la que consideraba los efectosdeapantallamientoqueejercanlosdemselectronessobreaquelmsexterno, en el tomo. La frmula desarrollada por Slater es: o = Z Zef dondeZ es la carga nuclear real, es decir, la cantidad total de electrones que hay en el tomo y , la constante de apantallamiento Reglas para calcular la constantes de apantallamiento 1.- Los electrones en los orbitales ms externos no contribuyen. 2.-Loselectronesenelmismogrupocontribuyencon0.35,exceptolosdel1s,quelo hacen con 0.30. 3.- Los electrones ubicados en orbitales s y p, del nivel (n-1), contribuyen con 0.85 4.- Los restantes electrones contribuyen con 1.0 Ejemplo: Calculemos el Zef para el ltimo electrn del 11Na a.- Obtenemos la configuracin electrnica: 1s22s22p63s1 b.-Contamosloselectronesquehayenlosorbitalessypdelnivelinmediatamente inferior al que estamos determinando, es decir, 2s22p6. Como hay 8 electrones, ese valor lo multiplicamos por 0.85. 8 . 6 8 85 . 0 = c.-Paratodoslosanterioresaellos,sucontribucinser1.0.Luegocomohay2 electrones (en 1s2), tendremos 0 . 2 2 0 . 1 = Por lo tanto, sumando, 8 . 8 2 0 . 1 8 85 . 0 = + = o Finalmente, 25 Propiedades Peridicas Podemosclasificar laspropiedadesperidicas endosconjuntos:las propiedadesdecarcter cuantitativoylasde carctersemicuantitativo odetendencia.Dentrode lasprimeras,quehacen alusinapropiedades fsicasdelostomos, podramosagruparlasen propiedadesrelacionadas coneltamaoy propiedadesrelacionadas con la energa. Laspropiedadesperidicasmsrelevantesson:Radioatmico,Volumenatmico, Potencial de Ionizacin, Electroafinidad, Electronegatividad, Electropositividad Relaciones de Tamao Radio atmico (R.A) Correspondealadistanciaentreel ncleo y el electrn ms externo.Segneltipodeuninqueexistaentredos tomos,distinguiremos:elradiometlico,el radio covalente o el radio inico Enlasiguientefigurasemuestralatablaperidicaconlostamaosrelativosdelos tomosdecadaelemento.Podemosapreciarlavariacindetamaoenperiodosy grupos. 26 Alconsiderarelvalordelos radios atmicos de los tomos neutros,resultalasiguiente grficaquerelacionasu longitud(enpicmetros,pm, equivalentea10-12m),conel nmeroatmico(Z)delos elementos. Radio de un tomo ionizado Al perder o ganar electrones, el radio atmico cambiar.Si el tomo se transforma en un catin, es decir, pierde uno o ms electrones, su nube electrnicatotalsereducir(losorbitalesdelnivelmsexternoquedarnconmenos electrones), lo que significar que el catin debe tener un tamao menor al del tomo neutro.Por otro lado, si el tomo de un elemento se transforma en un anin, es decir, capta uno o ms electrones, su nube electrnica total aumentar (habr ms electrones en el nivel ms externo). De esta forma, el tamao del anin ser mayor al del tomo neutro. Enlafiguradelaizquierda,semuestracmocambiaeltamaodeltomodeLitioy Flor, cuando forman iones, en el compuesto LiF. 27 En la figura de la derecha, se muestra una grfica comparativa entre las medidas de los radios de tomos neutros y de sus cationes o sus aniones. Variacin del radio atmico en la tabla peridica El radio atmico aumenta de derecha a izquierda en los periodos y de arriba hacia abajo, en los grupos. Volumen atmico (V.A) Corresponde al espacio que ocupa un tomo. Se mide en cm3. Recordemosque,paranosotros,eltomo esuna especiede esferaomejordicho,tiene unaformaesfrica,porlotanto,elvolumenqueocupaenelespacioest geomtricamente hablando, relacionado con el volumen de una esfera En geometra, el volumen de una esfera se calcula a travs de la frmula: 34V r3= t Por lo tanto, depende solamente del valor del radio. Estosignificaque,elvolumendeuntomoestdirectamenterelacionadoconelradio atmico. Luego, variar de la misma manera en periodos y grupos. Variacin del volumen atmico en la tabla peridica Elvolumenatmicoaumentadederechaaizquierdaenlosperiodosydearriba hacia abajo, en los grupos Potencial de Ionizacin o Energa de ionizacin (P.I) Corresponde a la energa necesaria, para extraer un electrn a un tomo gaseoso en su estado fundamental (elctricamente neutro). Las unidades en que se mide esta energa son ((

molkJo ((

molkcal. 28 Es decir, ++ + e X X energa) g ( ) g ( Esinteresanteobservarque,enladefinicin,sesealaqueeltomodebeestaren estado gaseoso. Esto es importante, ya que en ese estado los tomos estn aislados, por lo tanto, el valor obtenido experimentalmente corresponder al potencial de ionizacin. Por otro lado, el primer potencial de ionizacin (I1), est relacionado con la extraccin del electrnms externo deltomo ypor ende,elmenosretenidodetodos.Despusde l, podemosseguiraplicandootrospotencialesdeionizacin(I2,I3,etc.),quepermitirn extraer el siguiente electrn, el subsiguiente, etc. Variacin del potencial de ionizacin en la tabla peridica ElPotencialdeionizacinaumentadeizquierdaaderechaenlosperiodosyde abajo hacia arriba en los grupos. Lasiguientetablasemuestralospotencialesdeionizacinen(kJ/mol)delos20 primeros elementos qumicos En la siguiente grfica aparecen representados los primeros potenciales de ionizacin de los elementos hasta Z=90. 29 Electroafinidad o Afinidad electrnica (E.A) Corresponde a la energa que libera un tomo en estado gaseoso, cuando capta un electrn para convertirse en un anin. Al expresarlo en una ecuacin, tenemos Energa X e X) g ( ) g (+ + 30 +) g ( ) g (F e FLatablaadjuntamuestralosvaloresdeelectroafinidadesenkJ/mol,deloselementos representativos y gases nobles. Enlagrfica,semuestralavariacinde las electroafinidadesparatodos los elementos de la tabla peridica Tomemos el caso del Flor H = -328 kJ/mol EstoquieredecirquecuandoelFlorcaptaunelectrn,libera328kJ/moldeenerga (en forma de calor, por eso se usa el smbolo H). De esta manera, como una convencin, se le asignar el valor positivo a la electroafinidad del Flor. Es decir, un valor grande y positivo de la afinidad electrnica indica que el anin es muy estable. 31 Variacin de la electroafinidad en la tabla peridica Laelectroafinidadaumentadeizquierdaaderechaenlosperiodosydeabajo hacia arriba en los grupos. Electronegatividad (E.N) Es la tendencia o capacidad de un tomo para atraer hacia s los electrones de un enlace qumico. La electronegatividad de un tomo, es un concepto relativo dado que se puede medir slo en relacin con respecto a otro tomo. Linus Pauling desarroll un mtodo para calcular las electronegatividades relativas de la mayora de los elementos qumicos. Lavariacinde la electronegatividaddelos elementosde latablaperidica,semuestra en la siguiente grfica. 32 Variacin de la electronegatividad en la tabla peridica Laelectronegatividadaumentadeizquierdaaderechaenlosperodosydeabajo hacia arriba en los grupos. Electropositividad (E.P) Correspondealatendenciadeuntomoacederelectrones.Es,pordecirlode algn modo, la propiedad contraria a la electronegatividad.Aunqueestconsideradaunapropiedadperidica,nosuelesermencionadacon frecuenciaenlostextosdequmica,yaquelaelectronegatividadessuficientepara explicar el comportamiento de un tomo en este sentido. Variacin de la Electropositividad en la tabla peridica LaElectropositividadaumentadederechaaizquierdaenlosperiodosydearriba hacia abajo, en los grupos. 33 Enlace Qumico y Geometra Molecular Definicin:Elenlacequmicoeslaformaenqueseunenlostomoscuandoforman una molcula.Profundizandoelconcepto,podramosdecirqueelenlacequmicoeslafuerza responsabledelauninestableentreiones,tomosomolculasqueformanlas sustancias. Los enlaces qumicos podemos clasificarlos en forma general en dos tipos: aquellos que ocurrenalinteriordeunamismamolcula,llamadosintramolecularesylosque involucran molculas diferentes entre s, llamados intermoleculares. Configuracin de Lewis1 LaconfiguracindeLewisesunamaneraderepresentarloselectronesms externosdelostomosdecualquierelemento.Fundamentalmenteserepresentan aquellos que pertenecen al ltimo perodo, es decir, los electrones de valencia. La forma de representarlos es muy sencilla, ya que se usan puntos, formando parejas y puntos separados, alrededor del smbolo del elemento qumico. Esnecesarioenprimerlugar,escribirlaconfiguracindelelemento,destacandola distribucin de los electrones de ese ltimo nivel. Ejemplo: Tomemos al Aluminio (13Al): 1s22s22p63s23p1

1Gilbert Newton Lewis (1875-1946). Este qumico estadounidense hizo muchas contribuciones importantes en las reas del enlace qumico, la termodinmica, los cidos y las bases y la espectroscopia. A pesar de la relevancia de su trabajo, Lewis no fue compensado con el Premio Nobel de Qumica. 34 En su ltimo nivel: 3s23p1, hay 3 electrones que se distribuyen como sigue: Llamaremos electrones apareados o antienlazantes, a aquellos electrones que forman parejas, como por ejemplo, los que aparecen el el orbital 3s, del esquema anterior. Llamaremoselectronesdesapareadosoenlazantesaaquelloselectronesquese encuentran solos ocupando algn orbital. Entonces,representaremoslosdoselectronesjuntosyelelectrnseparado,paraal Aluminio, de la siguiente manera: Nota: No hay ninguna restriccin para la ubicacin de los puntos alrededor del smbolo del elemento. Veamos otro ejemplo: el Nitrgeno (7N): 1s22s22p3 El ltimo nivel es: 2s22p3, por lo tanto, la distribucin de esos 5 electrones, en el ltimo nivel ser De esa forma, la configuracin de Lewis para el Nitrgeno es: Regla del dueto y del octeto SihacemoslaconfiguracindeLewisdelosgasesnobles,encontraremoslo siguiente: Al observar la configuracin de Lewis paracada uno de ellos, vemos que en el caso del Helio, presenta dos electrones apareados, mientras que para los dems, ocho electrones, en cuatro parejas. Esto es importante dado que los gases nobles son sinnimo de estabilidad para los elementos en la tabla peridica. Todos los elementos buscan parecerse a ellos, cediendo o captandoelectrones.Porlotanto,noesextraoentenderqueparalaformacinde enlacequmicobuscarnquedarrodeadospordos(enelcasodelosenlacesformados por los elementos de Z ms bajo) y porocho en los dems. Esta ltima distribucin de electrones debe ser cumplida por los elementos del segundo periodo, pero desde el tercer periodoenadelantepuedesersuperadaennmero(aestosedenominaocteto 35 extendido).HayqueindicarqueloselementosdelgrupoIII-A,noalcanzanacumplir conlaregladeloctetoyloscompuestosqueellosformanpresentarnpropiedades interesantes producto de esta falta. Enlace Inico Seproduceprincipalmenteentredoselementosconlassiguientes caractersticas:unodeellospresentaunamuybajaelectronegatividad,valedeciruna tendencia muy baja a captar electrones, por lo tanto, desea deshacerse de ellos. Por otro lado, el otro elemento tiene una muy alta electronegatividad, es decir tiene una muy alta tendencia a captar electrones. En general podemos decir, que este tipo de enlace se da entre elementos del Grupo I-A y II-A, con los del Grupo VI-A y VII-A, de la tabla peridica. I-AII-AVI-AVII-A LiBeOF NaMgSCl KCaSeBr RbSrTeI CsBa Propiedades de los compuestos inicos Los compuestos inicos presentan las siguientes propiedades: Sepresentanenestadoslido.Generalmenteformanordenacionesquesuelen denominarse redes cristalinas. Presentan diferentes grados de dureza. Poseen puntos de fusin y ebullicin altos. Son solubles en disolventes polares como el agua En solucin acuosa forman especies cargadas (iones positivos y negativos) Presentanconductividadelctrica,tantoensolucinacuosacomoenestado fundido 36 Disociacin de compuestos inicos Siuncompuestoinicosedisuelveenagua,stesesepararensustomos constitutivos.Pero,comoellos,paraformarelenlace,debenestarensuformainica, entonces se encontrarn como esas especies atmicas: cationes y aniones. Por ejemplo: ++ Cl Na NaClO H2 ++ 2 O H2S K 2 S K2 ++ Cl 3 Fe FeCl3 O H32 En forma general, diremos ++ n m O Hm nmX nM X M2 Solvatacin Elprocesodesolubilizacindeuncompuestoinicoseproduce porque el agua realiza un proceso llamado solvatacin, en que el agua como compuesto polar rodea a cada in, lo estabiliza y lo separa del contrario. Lamolculadeagua,esunamolculapolar.Laimportante diferenciadeelectronegatividadesentreelhidrgenoyeloxgeno, hacequeloselectronesqueformanelenlace(enlacedetipo covalente),estnmscercanosaloxgenoymsalejadosdel hidrgeno,demaneraquegeneran,cargasaparentespositivasy negativas, que se representan por + o -. De esta manera, las molculas de agua se orientarn espacialmente acercando su cara o lado positivo al anin y su cara o lado negativo, al catin. Forman verdaderas esferas alrededor de cada ion, conocidas como esferas de solvatacin.Esquemticamente lo podemos representar como sigue: Enlace covalentes Existenotrassustanciasqueestnconstituidasportomosneutrosunidospor un tipo de enlace distinto al inico:el enlace covalente. Los tomos enlazados de esta forma suelen constituir entidades discretas que denominamos molculas. 37 En el caso de la formacin de un enlace covalente, los tomos que participan en l, tienenelectronegatividadessemejantes.Porlotanto,nopuedehaberdonaciny recepcin de electrones. Vale decir, no habr un tomo que ceda su electrn y otro que lo capte,formandodeesamaneraiones.Porelcontrario,lanicasalidaposibleesla comparticin de electrones, es decir, los electrones de valencia, fundamentalmente los desapareados o enlazantes, de cada uno, son compartidos por ambos tomos. Podemosdarunadefinicinmsresumidadiciendoqueelenlacecovalente consiste en la unin de dos tomos que comparten uno o ms pares de electrones. Ejemplo: ElFlorformaunamolculadiatmicaquesemantieneunidaporun enlace covalente. Veamos LaconfiguracindelFlor(9F)es1s22s22p5.Elltimoniveltiene2s22p5,luegola distribucin de los electrones en el ltimo nivel es Y la representacin por configuracin de Lewis ser Deestamanera,ambosflorvanacompartirelelectrndesapareado,formandoun enlace covalente Importante:alcontarlacantidaddeelectronesdecadatomodeFlor,veremosque cumple con la regla del octeto. Es decir, cada tomo est rodeado por 8 electrones. Una forma de representar el enlace es, trazando una lnea que una los dos electrones. De esta manera: Esta unin covalente la llamaremos enlace covalente simple. La comparticin de dos pares de electrones entre dos tomos se denominaenlace doble,mientrasquelacomparticindetresparesdeelectronessedenominaenlace triple. Veamos algunos ejemplos 38 ElCarbono(6C),tienelasiguienteconfiguracin electrnica:1s22s22p2yladelOxgeno (8O):1s22s22p4.Usaremoslaconfiguracindelnitrgeno,queyafuemostradams arriba. La representacin de los electrones del ltimo nivel, as como la configuracin de Lewis para todos ellos es Entonces, podemos formar los siguientes compuestos covalentes: CO, CO2, N2. Estructura de Lewis de las molculas poliatmicas LaconfeccindelasestructurasdeLewisdeunamolculapoliatmicarequiere un proceso sencillo a partir de la configuracin electrnica de los tomos que participan. El tomo central suele ser el elemento ms electronegativo, es decir, el que necesita ms electrones para completar su nivel de valencia. Ejemplo: Determinemos la estructura de la molcula del cido ntrico HNO3. a.- Comenzamos por designar el tomo central, el nitrgeno, y colocar alrededor de l los tomos de oxgeno. Luego, a uno de estos ltimos se enlazar el hidrgeno. b.- Previamente hemos determinado la configuracin de Lewis para cada uno de ellos y completamoseldiagramaanteriorincorporandoesoselectronesyubicndolosdetal 39 maneraquesedelaposibilidaddelaformacindelosenlaces.Noolvidarquecada enlace est formado por un electrn aportado por cada tomo. c.- Una vez determinada la distribucin de los tomos en la molcula, los tipos de enlace ylosparesnoenlazantes,podemosrepresentarelresultadodecualquieradelas siguientes maneras: Enlace covalente dativo o coordinado o semipolar En ciertos casos la comparticin de electrones se realiza de tal modo que slo uno delostomosaportaloselectronesdeenlace.Seconoceentoncescomoenlace coordinado, dativo osemipolar. Unadelasrazonesparaque este enlacesepresente entre dos tomos es que uno de ellos no tenga suficientes electrones para cumplir con la regladelocteto.Elotrotomo,quetienequetenersuoctetocompleto,leentrega electrones para que pueda cumplirlo. Cuando se desea resaltar esta unin, se reemplaza la lnea que representa al enlace por una flecha dirigida desde el dador al aceptor de electrones. Ejemplo: lasmolculasde SO2,SO3tienen estas estructuras.Astambinsepresentan en la formacin del ion hidronio (H3O+), del ion amonio (NH4+) y la reaccin entre cidos de Lewis (Ejemplo: AlCl3, BF3) y bases de Lewis (Ejemplo: NH3), entre otros. ; 40 Propiedades de los compuestos covalentes El enlace tipo covalente se produce entre elementos que presentan electronegatividades semejantes, llamados tambin elementos no metlicos (Oxgeno, Carbono, Hidrgeno, Nitrgeno, etc.) Si los dos tomos del enlace son idnticos o tienen electronegatividades similares, se dice que el enlace es covalente apolar (no polar). Si los tomos enlazados tienen electronegatividades diferentes, los electrones no son compartidos por igual entre los dos tomos y el enlace es considerado covalente polar. Entre las propiedades de esta clase de compuestos se tiene: Los compuestos covalentes suelen presentarse en los tres estados de la materia, por lo tanto, sus puntos de fusin y ebullicin no son muy elevados. Todos los gases que conocemos con covalentes (excepto los gases nobles) y todos los lquidos conocidos son covalentes, con la excepcin del metal lquido Mercurio. La solubilidad de estos compuestos es elevada en disolventes apolares. Son malos conductores de la electricidad, incluso aislantes de sta. Excepcionalmente, los slidos covalentes macromoleculares tienen altos puntos de fusin y ebullicin, son duros, malos conductores del calor y la electricidad y, en general, insolubles. Momento dipolar Comosabemos,enelenlacepolarunodelosdostomos,porserms electronegativo que el otro, desplaza hacia l la carga electrnica compartida. Ejemplo: La molcula del cido clorhdrico HCl La polaridad de un enlace puede medirse evaluando su carcter inico parcial a partir de la diferencia de electronegatividad de los dos elementos. Elcarcterinicoparcialdeunelementoaumentaconladiferenciade electronegatividad de los elementos enlazados. Lamedidacuantitativadelapolaridaddelosenlacescovalentessehacemediantela magnitud denominada momento dipolar. Elmomentodipolar esunamagnitudvectorialcuyomdulosedefinecomoel productodeladistanciadqueseparalasdoscargasdeigualmagnitudydesigno contrarioporelvalorabsolutoQdeunadeestascargas.Susentidoesdesdelacarga positiva a la negativa. Qd = La unidad de es el debye, D, siendo 1D = 3.3410-30 [Cm] 41 Enlace metlico Loselementosmetlicosqueconstituyenlamayoradeloselementosconocidos, presentan unas propiedades fsicas caractersticas, muy diferentes de las propiedades de lassustanciasinicasodelascovalentes.Elloesdebidoaltipodeenlaceentresus tomos: el enlace metlico. El enlace metlico es la fuerza de unin existente entre los tomos de los metales, a la que deben su estabilidad y propiedades las redes cristalinas metlicas Atemperaturaypresinambiente,losmetalessepresentanformandocristalesque suelen pertenecer a uno de estos tres tipos de estructura:cbicacentradaenelcuerpo, cbica centrada en las caras y hexagonal compacta. Paraexplicarenquconsisteelenlacemetlico,haydosteoras.Unadelasprimeras intentexplicarlascaractersticasdelenlacemetlicoimaginandoqueloselectrones msexternosdelmetalsecomportabancomounanubedeelectrones.Laotrateora, msmoderna,utilizalosconocimientosdelamecnicacunticaparaexplicarcmose produce el enlace. La primera se denomina modelo de la nube electrnica y la segunda corresponde a la modelo de bandas. Modelo de la nube electrnica La red cristalinametlica est formada porionesdel metal, es decir, tomos que hancedidosuselectronesdevalencia.Estosestndeslocalizadosenelconjuntodel cristal y disponen de libertad de desplazamiento a travs de huecos existentes entre los iones; constituyen la denominada nube electrnica. La estabilidad de la red cristalina es debida a la interaccin entre los iones metlicos y la nube de electrones deslocalizados. 42 Modelo de Bandas La aplicacin de la mecnica cuntica al modelo de nube electrnica proporcion un nuevo modelo, el modelo de bandas, que interpreta la conductividad elctrica de los metales de manera interesante. Supongamos,porejemplo,uncristaldemagnesioquecontieneunmoldetomos,es decir NA tomos (NA es el nmero de Avogadro), o lo que es lo mismo 6.021023 tomos de magnesio. SiinteraccionanNAorbitales3s,seproducirnNAorbitalesmoleculares(unorbital moleculareslaunindedosorbitalesatmicos).Estostienenvaloresdeenergamuy prximosyformanunabandadeenerga.Enelcasodelmagnesio,estabandaest llena,yaqueelmoldetomosproporcion2NAelectronesdevalencia,todoslosque puede admitir dicha banda. Perolos3orbitalesatmicos 3p,vacos,tambin interaccionanyformanuna bandade3NAorbitales moleculares. Como los orbitales atmicos3sy3ptienen energasprximas,lasbandas formadascontienen4NA orbitalesyslo2NAelectrones, se superponen. Alaplicaruncampoelctrico, los electrones de la banda llena 3ssaltanaorbitalesvacantes delabandavaca3p,quese constituyeenbanda conductora. As,segnelgradodellenadodelasbandasdevalenciaysudiferenciaenergtica, podemos encontrartressituaciones:metalesconductores,metalessemiconductores y aislantes. MetalesConductores Poseenbandasdevalenciaparcialmentellenasollenas superpuestasabandasvacas.Enamboscasossenecesitamuy poca energa para que los electrones de los orbitales llenos salten a orbitales vacos ms energticos. Estos electrones pueden moverse portodoelmetalconstituyndolacorrienteelctrica.Eselcaso, por ejemplo, del magnesio. Metales Semiconductores Tienenbandasdevalenciallenasquenosesuperponenalas bandasvacas.Peroladiferenciaenergticaestanpequeaque bastaunamnimaelevacindelatemperaturaparaexcitarlos electronesdemsenergaalabandadeconduccinvaca.As sucede, por ejemplo, en el silicio y el germanio. Aislantes Ladiferenciadeenergaentrelasbandasdevalenciallenao parcialmente llena y las vacas es tan grande, por lo que el paso de los electrones de una a otra no es posible. 43 Propiedades de los metales Losmetalesmuestranunaspropiedadescaractersticasdiferentesdelasque aparecen en los compuestos inicos y en las sustancias covalentes. Esto es consecuencia de su peculiar tipo de enlace. Entre estas propiedades pueden destacarse las siguientes: Puntos de fusin y ebullicin elevados, en general, siendo especialmente altos en losmetalesdetransicinybastantesmsbajosenlosmetalesalcalinosy alcalinotrreos. Altaconductividadelctricaenestadoslido,porloquesedenominan conductores de primera especie. Ello se debe a la movilidad de sus electrones de valencia. Alta conductividad trmica. Buenas propiedades mecnicas, como ductilidad, maleabilidad y tenacidad, tanto delosmetalespuroscomodesusaleaciones.Acausadeestaspropiedadessus aplicaciones tcnicas son variadsimas. Ladensidades,engeneral,elevada,especialmenteenlosmetalesdetransicin, como consecuencia de sus estructuras compactas. Estereoqumica Es la parte de la qumica que se preocupa de la forma tridimensional de las molculas. Lasmolculasylosionespoliatmicosmuestranunaformageomtricadefinida quedependedelaposicinquelostomosadoptanenelespacio.Lasestructurasde Lewisnodescribenporsmismasestasformasperopuedendeterminarsecongran aproximacin a partir de dichas estructuras mediante el mtodo de repulsin de pares de electrones del nivel de valencia, RPENV. Losparesde electronesenlazantes yloslibresquerodeanal tomocentralse orientandetalmodo quesealejan entreslosuficiente paraque lasrepulsiones entre ellos sean las mnimas. La orientacin adoptada determina la geometra molecular. 44 Molculas cuyo tomo central slo tiene pares enlazantes Designaremos con la letra A, al tomo central de la molcula, y con la letra B, los tomos que se enlazarn al tomo central. Tipo de molcula Molcula Pares enlazantes ngulo de enlace FormaGeomtrica Nombre deLa geometra AB2BeCl22180 Lineal AB3BF33120 Trigonal plana AB4 CH44109.5 Tetradrica AB5PCl55 90 y 120 Bipirmide trigonal AB6SF6690 Octadrica Molculas cuyo tomo central tiene pares enlazantes y libres En este tipo de molculas, los pares libres no forman enlaces, pero ocupan un lugar en el espacio alrededor del tomo central, que debe tomarse en consideracin para determinar la geometra de la molcula. Vamos a identificar la cantidad de pares no enlazantes, usando la letra E. 45 Tipo de molcula Molcula Pares enlazantes Pares no enlazantes Distribucin de los pares enlazantes y no enlazantes Forma Geomtrica AB2ESO221 Trigonal plana Angular AB2E2 H2O22 Tetradrica Angular AB3ENH331 Tetradrica Piramidal trigonal AB3E2BrF332 Bipirmide trigonal Trigonal plana AB4ESF441 Bipirmide trigonal Pirmide trigonal AB2E3 ICl223 Bipirmide trigonal Lineal 46 El enlace qumico y la electronegatividad Recordemosquelaelectronegatividadeslatendenciaquepresentauntomode unelementodecaptarelectrones.En1939LinusPaulingestableciunaescala arbitraria de electronegatividades, asignando al tomo ms electronegativo, el de flor, el valor 4.0 y, a partir de l, el de todos los dems. La caracterstica del enlace que une dos tomos, se puede relacionar con la diferencia de electronegatividades de los elementos involucrados en su formacin. Esta relacin es la siguiente: Si EN > 1.9, el enlace ser de tipo inico Si 0 < EN s 1.9, el enlace ser de tipo covalente polar Si EN = 0, el enlace covalente es de tipo apolar A pesar que el enlace covalente es un enlace en el cual los tomos que lo forman estn compartiendosuselectrones,lamayorelectronegatividaddeunodeelloshacequela nube electrnica se distorsione desplazndose hacia el tomo ms electronegativo. Esto har que, pese a ser un enlace covalente polar, presente algn grado de ionicidad. Estosepuedecalcularenformadeporcentaje,conlasiguienterelacin fisicomatemtica: = 2A B0.25 (EN EN)ionicidad% (1 e ) 100 Porejemplo,paraelcompuestoHF,tenemosqueENH=2.1ylaENF=4.0.El%de ionicidad es 20.25 (2.14.0)ionicidad% (1 e ) 100 59.4% = = mientras que, para el HBr, cuya ENBr = 2.8, dicho valor es: 20.25 (2.1 2.8)ionicidad% (1 e ) 100 11.5% = = Dadoqueunadelascaractersticasdeloscompuestosinicoseslacapacidadde disociarse en solucin acuosa, la conclusin que nos dan estos valores es la siguiente: 47 El HF se disocia de unamanerams completa queel HBr. Este comportamiento explica, por ejemplo, que el HF sea un cido ms fuerte que el HBr. Fuerzas intermoleculares Podemosclasificarestasfuerzaendostipos:FuerzasdeVanderWaalsyde EnlacedeHidrgeno(oPuentedehidrgeno).Todasellassonfuerzasdeinteraccin electrosttica. Fuerzas de Van der Waals -Fuerzasdipolo-dipolo:Sonfuerzasatractivasqueaparecenentredipolos elctricos formados por molculas polares. Cuanto mayor es el momento dipolar de las molculas, mayor es la fuerza atractiva. -Fuerzasdipolo-dipoloinducido:Lasmolculaspolarizadasprximasalas molculasotomosneutrosnopolarespuedenprovocarenstosun desplazamientodelacargaelectrnicatransformndolosendipolosinducidos. Entre el dipolo permanente y el dipolo inducido aparece una dbil fuerza atractiva. Recordemos con el siguiente esquema el proceso general de induccin Acercamosuncuerpocargadoaunaesferametlicaelctricamenteneutra(sintocarla nunca). Lentamente, la esfera al sentir la presencia de una carga (en este caso positiva), comienzaareordenarsuspropiascargasdemaneradeoponerunasuperficiecargada negativamente.Sialejamoselcuerpocargado,sevuelvenaordenarlascargasenla esfera alcanzando nuevamente la neutralidad. Si mantenemos el cuerpo cargado (barra) cerca de la esfera, la polarizacin se mantiene. 48 Sillevamosestecomportamientoaunamolculaqueesdipolaracercndoseauna molcula o tomo neutro, el comportamiento ser similar. La molcula dipolar, al acercar uno de sus polos al tomo o molcula neutra, la polarizar -Fuerzasdedispersin(deLondon):Sonlasfuerzasatractivasqueaparecenentre molculas no polarizadas. Por ejemplo, entre las molculas de O2, las de N2 y otras. Laexistenciadeestasfuerzasseexplicaadmitiendoqueenunmomentodadola molculanopolarexperimentaunligerodesplazamientodelacargaelectrnica formndoseundipoloinstantneo.Ladistribucindelacargaelectrnicacambia rpidamente,demodoqueelmomentodipolarpromedioesnulo.Peroeldipolo instantneopuedepolarizarotramolculacercanaformndoseundipoloinducido.A temperaturas bajas, la atraccin entre dipolos mantiene las molculas en estado lquido o slido. Enlace de Hidrgeno Sedenomina enlacedehidrgenoauntipoespecialdeinteraccinelectrosttica dipolo-dipolo que tiene lugar entre un tomo de hidrgeno que forma un enlace covalente muy polarizado y un tomo de pequeo tamao y muy electronegativo, como el F, O el N. El efecto del enlace de hidrgeno sobre los tomos prximos es un acercamiento de stos. Las energas medias de enlace de hidrgeno son bajas. Por ejemplo, laenergadelenlace intermolecularO---Henel agua esdelordende 20kJ/mol, mientrasqueladelenlace covalenteOHesdelordende 460kJ/mol.Sinembargo,son bastantemsaltasquelas interaccionesdipolo-dipolo normales,loquesetraduceen quelassustanciasqueposeen enlacesdehidrgenotienen puntosdefusinyebullicin anormalmente altos.