Enlace químico
¿Por qué se forman los enlaces químicos? En gran parte, es para disminuir la energía potencial (EP) del sistema. La energía potencial surge de la interacción de cargas positivas y negativas. A nivel atómico, las cargas positivas son transportadas por los protones y las negativas por los electrones. La EP puede calcularse utilizando la Ley de Coulomb, que es el producto de dos cargas, Q1 y Q2, dividido por la distancia entre las cargas, d. Si las dos cargas tienen el mismo signo (+ class=GramE>,+ o -,-) la EP será un número positivo. Las cargas iguales se repelen, por lo que el PE positivo es un factor desestabilizador. Si las dos cargas tienen signos diferentes, el PE será negativo. Esto indica una fuerza de atracción entre las cargas y es un factor de estabilización. El enlace químico conduce a una disminución del PE y a la formación de especies químicas más estables.
Enlace iónico
Los enlaces iónicos se forman entre metales y no metales. Los metales son los elementos del lado izquierdo de la Tabla Periódica. Los elementos más metálicos son el cesio y el francio. Los metales tienden a perder electrones para alcanzar la configuración electrónica de los gases nobles. Los grupos 1 y 2 (los metales activos) pierden 1 y 2 electrones de valencia, respectivamente, debido a sus bajas energías de ionización. Los no metales se limitan a los elementos de la esquina superior derecha de la Tabla Periódica. El elemento más no metálico es el flúor. Los no metales tienden a ganar electrones para alcanzar configuraciones de gas noble. Tienen afinidades electrónicas relativamente altas y energías de ionización elevadas. Los metales tienden a perder electrones y los no metales tienden a ganar electrones, por lo que en las reacciones en las que intervienen estos dos grupos, hay transferencia de electrones del metal al no metal. El metal se oxida y el no metal se reduce. Un ejemplo de esto es la reacción entre el metal, el sodio, y el no metal, el cloro. El átomo de sodio cede un electrón para formar el ion Na+ y la molécula de cloro gana electrones para formar 2 iones Cl-. Las cargas de estos aniones y cationes se estabilizan formando una red cristalina, en la que cada uno de los iones está rodeado de contra-iones.
Enlace covalente
El enlace covalente tiene lugar entre los no metales. No hay transferencia de electrones, sino un intercambio de electrones de valencia. Todos los no metales tienen energías de ionización bastante altas, lo que significa que es relativamente difícil eliminar sus electrones de valencia. Los no metales también tienen afinidades electrónicas relativamente altas, por lo que tienden a atraer electrones hacia sí mismos. Por tanto, comparten electrones de valencia con otros no metales. Los electrones compartidos se mantienen entre los dos núcleos. La fórmula de los compuestos covalentes representa el número real de átomos que se unen para formar moléculas, como C6H12O6 para la glucosa. Las especies covalentes existen como moléculas individuales.
Enlace metálico
El enlace metálico existe entre átomos metálicos. Los metales tienen energías de ionización relativamente bajas (electrones fáciles de eliminar) pero también afinidades electrónicas bajas (muy poca tendencia a ganar electrones). Por tanto, los metales comparten electrones. Sin embargo, es un tipo de enlace diferente al covalente. Los metales comparten electrones de valencia, pero éstos no están localizados entre átomos individuales. En cambio, están distribuidos por todo el metal y están completamente deslocalizados. A menudo se describen como un «mar» de electrones que fluyen libremente entre los átomos. El gráfico siguiente intenta mostrarlo. Las esferas grises más oscuras son los núcleos metálicos y los electrones del núcleo. Las áreas grises más claras son los electrones de valencia, que son compartidos por todos los átomos del metal.
Enlace iónico – Energía de red
Los metales y los no metales interactúan para formar compuestos iónicos. Un ejemplo de esto es la reacción entre Na y Cl2.
El enlace, a continuación (que a veces funciona y a veces no) muestra esta reacción teniendo lugar.
2 Na (s) + Cl2 (g) → 2 NaCl (s)
Es una reacción extremadamente exotérmica. Se desprende una gran cantidad de calor, lo que indica una gran disminución del PE del sistema.
El producto, NaCl, es mucho más estable que los reactantes, Na y Cl2.
Esta reacción se puede descomponer en unos pocos pasos, para determinar la fuente de esta energía. Esperamos un gran número negativo como respuesta final.
Primero, el sodio se ioniza:
Na (g) → Na+ + e- I1 = 494 kJ/mol
Es necesario añadir energía para eliminar el electrón.
El cloro se ioniza:
Cl(g) + e- → Cl-sup> (g) Afinidad del electrón = -349 kJ/mol
La energía se desprende cuando el cloro gana un electrón.
La suma de estos dos es positiva. Debe haber otro paso involucrado. Ese paso implica el ensamblaje de los iones en una red cristalina, por lo que se llama energía de red.
Para el NaCl, esto es igual a class=GramE>-787 kJ/mol.
Esto representa la fuerte atracción entre los aniones (Cl-) y los aniones (Na+) mantenidos en estrecha proximidad. La interacción es coulómbica, proporcional al tamaño y signo de las cargas, e inversamente proporcional a la distancia entre ellas.
Símbolos de puntos de electrones de Lewis
El químico G.N. Lewis ideó una forma sencilla de representar los electrones de valencia cuando los átomos forman enlaces. Los símbolos de puntos electrónicos de Lewis representan los electrones de valencia de cada átomo. El simbolo del elemento en si, representa el nucleo y los electrones del nucleo y cada «punto» representa un electron de valencia.
Se muestran a continuacion:
En los metales, (a la izquierda de la linea roja) el numero total de puntos representa los electrones que el elemento puede perder para formar un catión. En los no metales (a la derecha de la línea roja), el número de puntos no emparejados representa el número de electrones que se pueden emparejar, mediante la ganancia o compartición de electrones. Así, el número de puntos no apareados equivale a la carga negativa del anión que se forma, por transferencia de electrones con un metal, o al número de enlaces covalentes que el elemento puede formar compartiendo electrones con otros no metales. El Mg, con dos puntos, tiende a formar el ion Mg2+. El carbono, con 4 puntos no apareados, puede formar el ion carburo, C4-, cuando reacciona con metales, o puede formar cuatro enlaces cuando reacciona con no metales.
La reacción entre el Na y el Cl2 puede escribirse en términos de sus estructuras de puntos electrónicos de Lewis.
Rayos iónicos
Cuando los átomos pierden electrones para formar cationes, el radio iónico es siempre menor que el radio atómico. Hay menos electrones, con una carga nuclear invariable, Z. Esto significa que los electrones restantes se mantendrán con más fuerza y más cerca del núcleo. Cuando los átomos ganan electrones para formar aniones, el radio iónico es siempre mayor que el radio atómico. Con más electrones, el término de repulsión electrón/electrón es mayor, desestabilizando el átomo y dejando los electrones más lejos del núcleo. A continuación se muestra una tabla de radios iónicos.
El sodio elemental es mayor que el cloro elemental. Sin embargo, cuando se ionizan, sus tamaños relativos se invierten. Es muydifícil predecir los tamaños absolutos.
Se pueden predecir los tamaños relativos para las series isoelectrónicas, especies que tienen el mismo número de electrones. Por ejemplo O2- y F- ambos tienen 10 electrones. La carga nuclear del oxígeno es +8 y la del flúor es +9. Las cargas positivas aumentan, pero las negativas permanecen igual (-10). Por lo tanto, F- será menor debido a la mayor atracción (+9/-10 frente a +8/-10). Las series de In3+, Sn4+y Sb5+ muestran la misma tendencia. Todos tienen 46e-, pero tienen cargas nucleares de +49, +50 y+51, respectivamente. El Sb5+ es el más pequeño de los tres.