Enlaces quimícos

Los átomos en la mayoría de los casos se combinan entre sí para formar moléculas y sustancias, desde muy simples como los compuestos inorgánicos, a estructuraras muy complejas como muchas sustancias orgánicas, de no ser así el universo estaría formado solo por átomos separados.

Electronegatividad

Los elementos situados a la derecha de la tabla periódica, no metales tienen mayor tendencia a captar electrones, excepto los gases nobles o inertes que no se combinan con ningún elemento, mientras que lo situados del lado Izquierdo, metales, tienen tendencia a ceder electrones.

Se puede definir que la Electronegatividad de un elemento es una medida de la tendencia que tienen los átomos de dicho elemento para atraer o captar electrones.

El elemento más electronegativo es el Flúor, su electronegatividad es 4,1, y en el otro extremo de la tabla entre los menos electronegativos se encuentran el potasio y el rubidio con electronegatividades de 0,9.
El hidrógeno si bien está colocado a la izquierda es un no-metal y sus propiedades son completamente diferentes a los elementos del grupo 1.

Regla del octeto

Normalmente los átomos se estabilizan cuando completan ocho electrones en su última capa, los gases inertes excepto el helio tienen esta cantidad electrones en la última capa, el helio se estabiliza con dos, por lo general los demás átomos tienden a combinarse completando así su última capa a ocho electrones aunque hay excepciones tal como el caso del hidrógeno,

cuya molécula es diátomica, H₂ y se estabiliza con dos electrones, (los antiguos dirigibles contenían hidrógeno, los que los hacía muy peligrosos puesto que ardían fácilmente, al reaccionar este con el oxígeno del aire; los actuales contienen helio, como este gas no reacciona por ser inerte, no existe este peligro).

Estructura o fórmula de Lewis (ver)

En esta estructura se indican o aparecen los electrones que forman el enlace.

Enlaces iónicos:
Se forman entre metales y no metales, los primeros ceden uno o más electrones a los segundos de modo tal que estos completen a ocho en su última capa, el átomo del metal al perder electrones adquiere carga positiva y se lo denomina catión, el no-metal al recibir electrones adquiere carga negativa y se lo denomina anión, ambos tipos de partículas con carga eléctrica se denominan iones.


La configuración electrónica del sodio –Na- es: 2-8-1, o sea que tiene un solo electrón en la última capa, mientras que en el cloro -Cl- es: 2-8-7, tiene siete electrones en la última capa, cuando se unen para formar el cloruro de sodio, Na Cl, (sal común) el sodio cede ese electrón al cloro con lo que este completa a ocho


Ejemplos:
Estructura de Lewis Fórmula

Na⁺ [ Cl ] ^- Na Cl Cloruro de sodio

K ⁺[ O ]^2- K ⁺ K ₂ O Óxido de potasio

Enlace covalente

Este tipo de enlaces se establece entre átomos iguales como en el caso oxígeno o átomos diferentes pero de elementos cuyas electronegatividades no difieren demasiado, ambos son no-metales, por lo tanto no ocurre como en los enlaces iónicos en los que un átomo cede electrones a otro sino que los comparten, normalmente hasta completar 8.Los enlaces pueden ser simples, dobles o triples según la cantidad de pares de electrones que los formen.

Metano

Amoníaco

Dióxido de carbono

Enlace covalente dativo o coordinado

La unión se produce por un par de electrones compartidos, y en este aspecto no hay diferencia con la unión covalente común, pero en este caso los electrones provienen de uno solo de los átomos al que se lo llama dador, el átomo que los recibe se llama receptor.

Ejemplo:SO3 Trióxido de azufre

En este ejemplo el azufre es dador y el oxígeno receptor.

Modelo molecular del agua

La molécula de agua se representa del modo que se indica anteriormente por que se sabe que es una molécula polar, esto significa que la carga eléctrica no está uniformemente repartida sino que en una parte de la molécula predomina la carga positiva, del lado de los átomos de hidrógeno, y en otra parte la carga negativa, del lado del átomo de oxígeno.

Molécula de agua

Actividad 1:representar las estructuras de Lewis y las fórmulas desarrolladas de las siguientes sustancias (en los casos de uniones covalentes) e indicar el tipo de enlace, en los casos de uniones iónicas indicar cuales son los aniones y cuales los cationes

a)Fe2O3 Óxido de hierro III b) CO2 Dióxido de carbono c)N2 Nitrógeno

d)N2O3 Trióxido de dinitrógeno e)Ca O Óxido de calcio f) N2O5 Pentóxido de dinitrógeno

g)Al2O3 Óxido de aluminio h)Li2O Óxido de litioi) H Cl Cloruro de hidrógeno

j)H2S Sulfuro de hidrógeno k) N H3 Amoniaco l)Cl2 Cloro

m)Al Cl3 Cloruro de aluminio n)Mg Br2 Bromuro de magnesio o)C H4 Metano

p)H2 Hidrógenoq) Ba Cl2 Cloruro de barior) Si O2 Óxido de silicio

s)Cl2 O Monóxido de cloro t)S O2 Dióxido de azufre
u)Na2 O Óxido de sodio

Sustancias simples y sustancias compuestas

Se llaman sustancias simples a las que están formadas por átomos de un mismo elemento y sustancias compuestas a las que están formadas por elementos distintos.

Las sustancias simples a su vez se las puede clasificar de acuerdo con el número de átomos que constituyen la molécula

• Monoatómicas: He (Helio) y el resto de los gases nobles o inertes
• Diatómicas: O₂ (oxígeno), N₂ (nitrógeno), H₂ (hidrógeno) Cl₂ (cloro) y otros halógenos.
• Triatómicas: O₃ (ozono)
• Tetraatómicas : P₄ (fósforo)
• Sustancias compuestas: Hay muchísimos ejemplos, H₂O, NH₃ (amoníaco), CH₄ (metano), etc.

Alotropía

En el caso del oxígeno se observa el fenómeno de alotropía, esto significa que se presenta en distintas formas, el oxígeno molecular diatómico y el ozono triatómico son alótropos, están formados por átomos del mismo elemento pero unidos de distinta forma, y tiene propiedades diferentes. Otro caso es el carbono grafito (con el que se hacen las minas de los lápices) y el diamante, evidentemente son muy diferentes pero ambos están formados por átomos de carbono pero unidos de diferente manera.

Diamante

Grafito

Unión metálica

Es el tipo de unión que se da en los cuerpos sólidos metálicos, ya sea en el caso de un metal puro como el hierro o en una aleación como el bronce que está formado por cobre y estaño.

Puede considerarse que un metal es un conjunto de iones positivos sumergido en un mar de electrones. Los átomos metálicos pierden fácilmente electrones, (los exteriores), estos electrones no quedan ligados a ningún núcleo atómico en particular lo que les otorga libertad de movimiento, esto hace también que la estructura no sea rígida como en el caso de un cristal, y que los planos de átomos se deslicen o resbalen fácilmente

Los círculos representan cationes incluido el núcleo y los puntos electrones.

Propiedades de los metales

• Buenos conductores de la electricidad
• Buenos conductores del calor
• Maleables: Se pueden construir láminas muy delgadas
• Dúctiles: Se pueden construir hilos muy delgados

Actividad 2 – relacionar las características de la unión metálica con las propiedades de los metales

Práctica de laboratorio:

Se colocan en un vaso de precipitado dos electrodos conectados a una fuente de corriente contínua de unos 6 volts.

Se le coloca agua y se observa que la lámpara no enciende.

Si se le agrega azucar (un polisacárido formado por átomos de carbono , hidrógeno y oxígeno) la lámpara no enciende, no se modifica la conductiviadad.

Luego en otro vaso se coloca agua con sal común , cloruro de sodio, en este caso la lámapra enciende.

Esto se debe a que el azucar tiene enlaces covalentes, y el cloruro de sodio, enlaces iónicos.

Al tener enlaces iónicos se disocia en aniones cloro y cationes sodio.
Los aniones cloro migran hacia el polo postivo, ánodo y los cationes sodio hacia el negativo, cátodo.
Este movimiento de partículas cargadas provoca la circulación de corriente.
(La práctica se debe complementar con lo observado y registrado en el laboratorio)

Átomo y Tabla Periódica

El átomo (ver)

Evolución de los modelos atómicos

El primero en postular la existencia del átomo fue Demócrito en el siglo IV a. C. la palabra átomo significa indivisible, la idea surge intuitivamente, la materia se puede dividir en partes cada vez más pequeñas, pero no indefinidamente, debe haber una partícula mínima que no se puede dividir.

Esta idea fue retomada por Dalton en el siglo XIX, supuso que toda la materia estaba formada por átomos, que estos son indivisibles, no pueden ser creados ni destruidos y que no pueden transformarse unos en otros (por ejemplo un átomo de hierro no puede transformarse en uno de cobre). Además estableció que todo cambio químico consiste en una unión o separación de átomos ejemplo:

En 1897 Thomson, investigando los rayos catódicos descubrió la existencia del electrón, el tubo de rayos catódicos, que es el que se utiliza en el televisor, consiste en un tubo cerrado en cuyo interior se crea vacío y posee dos electrodos conectados a una fuente de alta tensión (unos 10.000 volts), el polo positivo se llama ánodo y el negativo cátodo, observó que desde el cátodo se emitía una radiación formada por partículas con carga negativa y se dirigían hacia el ánodo.

Tubo de Rayos Catódicos

Pero existía una duda, ¿estas partículas formaban parte de la materia o eran un fenómeno puramente eléctrico?.

Esta duda se aclaró gracias a otra experiencia realizada por Becquerel quién comprobó que colocando una placa fotográfica dentro de una caja en cuyo interior había un trozo de uranio, esta se velaba debido a una radiación emitida por el uranio, en parte esta radiación se debía a la emisión de electrones, con esto quedaba aclarado que no era un fenómeno puramente eléctrico sino que los electrones formaban parte de la materia, esto modificó la idea que se tenía del átomo, el cual poseía al menos una partícula que se podía separar.

Debido a esto se postuló un posible modelo atómico, el átomo debía estar formado por una masa con carga positiva a la cual estaban adosados los electrones con carga negativa.

Modelo atómico de Thomson

En este modelo entre las cargas positivas y negativas no había una verdadera separación, sino que estaban prácticamente juntas.Este modelo duró poco tiempo, en 1911 Rutherford realizó una experiencia consistente en bombardear una lámina de oro muy delgada con partículas alfa las cuales tienen carga positiva y una gran cantidad de energía por lo que deberían atravesarla sin ni si quiera desviarse, si el átomo fuera como el modelo propuesto por Thomson en el que las cargas estaban uniformemente repartidas la habrían atravesado sin dificultad, pero ocurrió que aunque el 99% de las partículas hacían esto las restantes no.

Experiencia de Rutherford

Para que esto ocurriera las cargas positivas y negativas debían estar separadas y la carga positiva concentrada en un espacio muy pequeño con relación al tamaño del átomo, cuando la partícula alfa chocaba o pasaba cerca de la carga positiva se desviaba o rebotaba, debido al fenómeno de repulsión de cargas de igual signo.

Se postula un modelo en el que existe un núcleo con carga positiva y los electrones con carga negativa giran describiendo órbitas alrededor de este como un diminuto sistema solar.

Modelo atómico

Átomo de Bohr

Si se coloca un prisma frente a una fuente de luz blanca, esta se descompone en forma continua, abarcando todos los colores del espectro desde el rojo, que es el color con menor contenido energético (por eso se lo utiliza en las cabinas de revelado de fotos) hasta el violeta, que es el color con mayor contenido energético (por eso la radiación ultravioleta es dañina).

Pero si este experimento se repite con la luz que proviene de colocar una determinada sustancia o elemento en una llama, la luz que se genera al descomponerla con un prisma no forma un espectro continuo sino que aparece un espectro de rayas muy finas, cada una de las cuales corresponde a una luz de una cierta energía. La emisión de energía se produce cuando los electrones pasan de un nivel energético mayor a uno menor, pero esta energía no es emitida en forma continua sino que está restringida a ciertos valores, está “cuantificada”, la explicación a este fenómeno es que el electrón pasa de un nivel energético a otro en forma discreta (“de a saltos”) y no en forma gradual o continua, hay ciertos niveles posibles (el dinero varía en forma discreta, se puede tener $1 y esta cantidad aumentar a $1,01, aumentó un centavo pero no existe un valor intermedio)

A estos niveles se los numera, el número n, que designa un nivel energético se lo llama número cuántico principal, el menor vale 1, el inmediato superior 2, el siguiente 3 etc., el nivel más bajo corresponde a una posición interna y a medida que aumenta son niveles mas alejados del núcleo.

Espectro contínuo ,luz blanca

Espectro discontínuo, átomo de Hidrógeno

Modelo atómico de Bohr

Actividad 1:a)Indicar cuales son las diferencias fundamentales entre los distintos modelos y en los casos en que es posible relacionar las observaciones con las conclusiones que llevaron a modificar los modelos b) Relacionar el modelo de Bohr con los espectros de emisión que se muestran en el vídeo.

Modelo atómico actual

La imagen corresponde a un átomo de Helio. con 2 protones, 2 neutrones y 2 electrones

El átomo está formado fundamentalmente por tres partículas: protones, neutrones y electrones, las dos primeras están en el núcleo por lo que se los llama nucleones, las características de ellas son las siguientes:

Partícula	Carga	Masa relativa
Protón	Positiva (+1)	1
Neutrón	Neutra	1
Electrón	Negativa (-1)	1/1837

Como se puede apreciar en la tabla, las masas del protón y del neutrón son mucho mayores que la del electrón, por lo que prácticamente toda la masa del átomo está concentrada en el núcleo aunque el diámetro de este es muy pequeño en relación al diámetro atómico.

Según una clasificación más moderna a los protones y neutrones se los considera hadrones, y están formados por dos tipos de partículas: los up- quarks y los down- quarks, los up-quarks tienen carga eléctrica +2/3 y los down-quarks –1/3.

Un protón esta formado por 2 up-quarks y un down-quark resultando su carga: 2/3+2/3-1/3= 1

Un neutrón por 2 down-quarks y un up-quark resultando su carga: 2/3-1/3-1/3=0.

A los electrones y a otras partículas se los considera leptones.

Con el microscopio explorador se han fotografiado átomos

Número atómico

Cada elemento químico se caracteriza por un nro. atómico que es igual al nro. de protones y como el átomo debe ser eléctricamente neutro, es también igual al nro. de electrones, se acostumbra llamarlo Z

Z = P= e Z= nro. de protones = nro. de electrones

Los elementos en la tabla periódica están ordenados por el nro. atómico.

Número másico:

Se define como nro. másico a la suma de protones y neutrones dado que estas son las partículas con masa significativa, se simboliza con la letra A.

A= P+N A= nro. de protones + nro. de neutrones

Si se observa la tabla periódica el nro. másico no figura en la misma, si la masa atómica pero no es un número entero. Esto se debe a que átomos de un mismo elemento pueden tener distinto nro. másico puesto que pueden tener diferente cantidad de neutrones.

Isótopos

A los átomos de un mismo elemento que difieren en el nro. de neutrones y por lo tanto en el nro. másico se los denomina isótopos (iso significa igual, topo lugar porque ocupan la mima posición en la tabla periódica).

Por ejemplo en el caso del hidrógeno, que es el primer elemento y él más simple, en su forma más abundante el átomo está formado por un protón y un electrón y se lo llama protio. Pero existen también átomos formados por un protón, un neutrón y un electrón, se lo llama deuterio y átomos formados por un protón dos neutrones y un electrón y se lo denomina tritio.

El agua pesada que se utiliza como moderador en los reactores nucleares está formada por átomos de deuterio en lugar de átomos de protio, de allí el nombre puesto que el deuterio es mas pesado que el protio.

Otro ejemplo conocido es el carbono, en su forma más abundante el carbono tiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones, es el carbono 12 pero existen isótopos, uno de ellos es el carbono 14 formado por 6 protones, 8 neutrones y 6 electrones, este isótopo es inestable y tiende a desintegrarse, la proporción de carbono 14 es la misma en todo ser vivo pero en el momento en que un animal o una planta mueren comienza a disminuir, cuanto más tiempo transcurre desde su muerte menor es la proporción que hay en sus restos, esto se utiliza para calcular la antigüedad de los fósiles, papiros y otros objetos arqueológicos.

La masa atómica que figura en la tabla periódica, es un número con decimales, esto surge del promedio ponderado de las masas atómicas de los diferentes isótopos de cada elemento.

La forma en que se simbolizan ambos números es la siguiente:

⁷Li es un isótopo de un átomo de ⁶Li, ambos tienen el mismo nro. atómico 3 y distinto nro. másico, 7 y 6 respectivamente, el primero tiene 7-3= 4 neutrones, y el segundo 6-3= 3 neutrones (pero ambos son átomos de litio).

Actividad 2: completar los datos que faltan utilizando la tabla periódica

Elemento	Nro. atómico	Nro. másico	Nro. de protones	Nro. de neutrones	Nro. de electrones
	15	31
		40			20
			11	12
Ar				22
		84	36

Distribución electrónica y tabla periódica (ver)

En el modelo atómico moderno se abandona la idea de órbita que es una trayectoria definida y predecible del electrón y se reemplaza por concepto de orbital, el orbital es una zona donde es máxima la probabilidad de encontrar al electrón.

El primer orbital es el llamado s, tiene simetría esférica alrededor del núcleo y puede alojar como máximo dos electrones. El hidrógeno posee un único electrón en el primer orbital s, el helio que es el siguiente elemento posee dos electrones con lo cual se completa el orbital. Luego sigue el litio tiene tres electrones, los dos primeros se alojan en el primer orbital s y el tercero en el segundo orbital s que es exterior y concéntrico al primero, el berilio con cuatro electrones completa el segundo orbital s.

Nube electrónica de un átomo de Nube electrónica de un átomo de

Hidrógeno o helio 1er. orbital s litio o berilio 1ro. y 2do. orbitales s

Los orbitales p son bilobulados, está formados por un total de seis lóbulos, ubicados en tres ejes x, y, z por los que se los denomina p_x, p_y y p_z, en cada eje hay dos lóbulos que pueden alojar como máximo dos electrones, o sea que en total puede haber seis.

Orbitales p

Si se observa la tabla periódica se ve que en el 2do. y 3er. período hay 8 elementos, esto se debe a que los electrones ocupan los orbitales s y p.

Existen dos orbitales más, el orbital d que puede alojar un máximo de 10 electrones y el orbital f que puede alojar hasta 14.

Como ya se vio en el átomo de Bohr existen niveles que se los numera con el nro. n a estos niveles también se los llama capas de electrones y la cantidad de capas va aumentando a medida que aumenta el nro. atómico de los elementos, esto debe ser así para que se vayan alojando los electrones, las capas más cercanas al núcleo alojan menos electrones y al alejarse del núcleo aumenta la cantidad que pueden alojar.

Las capas se nombran con las letras mayúsculas: K, L, M, N, O, P, Q.

Lógicamente las capas están formadas por orbitales.

Como ya se vio a cada capa le corresponde un nro. cuántico n, y la cantidad de electrones que puede alojar como máximo cada capa esta relacionada con este por la expresión 2n².

Capa	Nro. cuántico principal	Nro. máximo de electrones (2n2)
K	1	2
L	2	8
M	3	18
N	4	32
O	5

En la capa O debería haber 50 electrones, pero esto no ocurre por que no se llega a este valor con los elementos conocidos hasta ahora, por lo que no se alcanza a completar, lo mismo ocurre para las capas siguientes

Distribución de capas alrededor del núcleo

El nro. dé período coincide con el nro. de capas de electrones que tiene el átomo de un elemento perteneciente al mismo, por eso existen tantos períodos como capas (siete).

Grupos en la tabla periódica

El científico ruso Mendeleiev fue el creador de la tabla periódica, por lo que también se la llama tabla de Mendeleiev, al ordenar los elementos (inicialmente lo hizo por peso atómico, posteriormente se los ordenó por nro. atómico), observó que periódicamente las propiedades físicas y químicas de los mismos se repetían, por lo que los colocó en un mismo grupo (columna).

Por ejemplo los elementos del grupo 1 metales alcalinos reaccionan rápidamente, tanto es así que suele guardárselos en recipientes sumergidos en aceite para que no reaccionen con el oxígeno del aire, los elementos del grupo 18, gases nobles o inertes, no reaccionan químicamente, estas propiedades están estrechamente relacionadas con la configuración electrónica de la última capa, es lógico que los electrones externos son los que entran en contacto con los átomos que los rodean y por lo tanto determinan en gran parte como se va a comportar un átomo.

A partir del tercer período de la tabla periódica en la parte central se encuentran los llamados elementos de transición, o del bloque d, en estos elementos, que son metales, los electrones se van incorporando en general en la penúltima capa.

En la parte inferior de la tabla se encuentran los elementos de transición interna, lantanoides y actinoides, en estos casos los electrones se van incorporando en la mayoría de los casos en la antepenúltima capa

Actividad 3:

Explicar porque en el 2do. y 3er. período de la tabla periódica hay 8 elementos

Buscar alguna característica o uso que sea común a varios elementos del grupo 17, halógenos

Encontrar dentro de los metales de transición un grupo en el cual es muy evidente que tienen propiedades físicas similares