Usuario:Homo uruguayensis/Introducción a la Química para Biogeociencias/Enlace iónico y de tránsito

Enlace iónico

La base del enlace iónico es la transferencia de electrones de átomos de metales a átomos de un no metal para formar iones que, a su vez, se organizarán para formar un compuesto iónico sólido (cristal iónico) cuyos componentes están fuertemente unidos entre sí por las atracciones electrostáticas.

Un ejemplo bastante conocido de esto ocurre con la formación de la sal de mesa, NaCl. Por lo pronto, sabemos según la teoría que el metal, en este caso el sodio, le cederá electrones al cloro, que es un no metal. Pero esto lo podemos visualizar también analizando la configuración electrónica de ambos: la del Cl es [Ne] 3s2 3p5 (solo le falta un electrón para llenar el orbital p y tener la configuración del gas noble argón; esto implica que con enlazarse con un solo átomo del grupo 1 ya completaría su octeto), y por otra parte el Na es del grupo 1 (un alcalino) y por lo tanto tiene una configuración electrónica [Ne] 3s1. Con que este Na le ceda su único electrón de valencia este alcanzaría la estabilidad al tener la configuración electrónica [Ne], mientras que el Cl también cumpliendo el octeto y quedando [Ar].

Los iones resultantes se consideran representan como esferas con carga (uno será positivo y otro negativo producto del compartimiento y recepción de electrones). Estos iones se encuentran separados por una distancia r, y la interacción entre ellos es debido a las fuerzas de Coulomb, que son las fuerzas electrostáticas que atraen a los iones de cargas opuestas. Esta atracción es lo que da estabilidad al cristal iónico, implicando así también que no existan moléculas iónicas aisladas como sí puede darse en los enlaces covalentes. En este modelo, se asume que los iones son incomprensibles e indeformables, y que permanecen en posiciones fijas dentro de la estructura cristalina, lo que permite que las fuerzas electrostáticas actúen eficazmente para mantener la estructura estable.

Consideraciones energéticas: energía reticular

A diferencia del enlace covalente donde el proceso libera energía, en el iónico la transferencia de electrones absorbe energía, lo que resultaría energéticamente desfavorable que suceda. Sin embargo, esta absorción de energía se ve compensada con la considerablemente mayor liberación de energía producto de la formación del sólido iónico. Esto se ve por ejemplo con el LiF. Para que el litio se vuelva un ion ( ${\ce {Li -> Li^+}}$ ) se requiere un cambio de energía denominado energía de ionización (en este caso, es de 520 kJ). Para el caso del flúor, se introduce el concepto de afinidad electrónica, que se referirá al cambio de energía al ganar el electrón (en este caso, −328 kJ). Al sumar ambas energías da como resultado que se necesitan 192 kJ para el proceso de transferencia de electrones y formación de iones:

${\ce {Li (g) + F(g) -> Li^+ (g) + F^- (g) ->[{energía}][{}] EI + AE = 192kJ}}$

A pesar de esto, sabemos que la entalpía estándar de la formación del sólido LiF es de −617 kJ/mol. Esto significa que libera una cantidad mucho mayor a la requerida inicialmente (los 192 kJ) para la transferencia de electrones y compensa ese déficit energético inicial, volviendo así favorable la formación del sólido iónico.

Recordemos entonces dos conceptos mencionados anteriormente, el de energía de ionización (EI) y afinidad electrónica (AE):

Energía de ionización: es el cambio de energía necesaria para adicionar 1 mol de electrones o 1 mol de átomos en estado gaseoso.
Afinidad electrónica: cambio de energía necesaria para remover 1 mol de electrones o 1 mol de átomos en estado gaseoso.

La fórmula que se relaciona de forma directamente proporcionalmente a las cargas e inversamente proporcional al radio:

$U_{L}={K}\cdot {\frac {\nu \cdot |z^{+}|\cdot |z^{-}|}{r^{+}+r^{-}}}\cdot {\biggl (}1-{\frac {d}{r^{+}+r^{-}}}{\biggr )}$

Características físicas

Los iones que se formen producto del enlace iónico se organizarán en una red de iones sólida y cristalina, fuertemente unida entre sí principalmente por fuerzas electrostáticas, tal como se mencionó antes con la energía reticular. El hecho de que esta red esté tan fuertemente ordenada por la situación anterior hace que podamos predecir cómo serán las características físicas de los compuestos iónicos:

Generalmente tendrán una baja conductividad térmica y eléctrica en estado sólido, ya que estas se explican por el movimiento de las partículas, el cual está ampliamente reducido. Sin embargo, en un sólido fundido o disolución acuosa esto cambia, ya que los iones estarían dotados de un mayor movimiento y por lo tanto sí podrían conducir electricidad y calor pero conducen en estado fundido y en disolución acuosa.

Por otra parte, para que un compuesto pase de sólido a líquido se deberá conseguir que las moléculas adquieran movimiento. Como ya sabemos, esto va a ser mucho más difícil en compuestos iónicos por la red cristalina que forman; por este motivo, también necesitarán una energía considerablemente alta para que sean fundidos o evaporados; es decir, tienen puntos de fusión y ebullición elevados.

Por último, sin necesidad de interactuar muy complejamente con ellos, podemos comprobar que se caracterizan por ser duros, rígidos y quebradizos. Normalmente sería difícil romper o deformar un compuesto iónico, a no ser que se aplique una presión lo suficientemente potente. En caso de que así ocurra, se movería a los iones de tal forma en la que los de igual signo queden enfrentados y así se repelan por completo.

Electronegatividad y radio atómico

Como ya se ha mencionado antes, es la capacidad relativa de atraer hacia sí el o los electrones en el enlace. En el enlace iónico, el electrón será cedido hacia la partícula más electronegativa, por lo que la partícula dadora o receptora de electrones dependerá de la electronegatividad. De forma general, podemos afirmar que la electronegatividad asciende en la tabla periódica de izquierda a derecha y de abajo a arriba.

La electronegatividad también se ve afectada por el radio atómico: a mayor radio el efecto de apantallamiento de los electrones internos se ve más pronunciado y disminuirá la capacidad de atraer más fuertemente los electrones de valencia en un enlace, es decir, la electronegatividad. La relación es, en general, inversamente proporcional.

El radio atómico aumentará cada vez que aumente el nivel de energía (representado con el número cuántico n), ya que el nuevo nivel de energía se situará más lejos del núcleo y allí irán los electrones. Este nivel de energía aumenta en uno con cada nuevo período, por lo que en la tabla periódica puede observarse un aumento del radio atómico al descender verticalmente (en un grupo). En cuanto a los períodos, lo que ocurre es que de izquierda a derecha Z aumenta. Si aumenta, significa que por cada vez que aumente habrá un protón y un electrón más. Aunque el número de electrones también aumenta, estos se incorporan al mismo nivel de energía (n), ya que este no varía a lo largo de un período. Los saltos de nivel de energía ocurren al iniciar un nuevo período. Dado que los electrones no estarán a una mayor distancia, y que los protones son cada vez más, estos últimos generarán una mayor atracción de los electrones que resultará en una disminución del radio atómico (terminan acercando a los electrones).

Para la formación de los iones deben darse los procesos siguientes:

M (g) -> M(+) (g) + 1e(-)

X (g) + 1e(-) -> X(-) (g)

Este proceso requiere energía que también son propiedades de utilidad: para el catión, la energía necesaria se llama energía/potencial de ionización. Para el anión afinidad electrónica o electroafinidad.

Para conocer la estabilidad de un compuesto iónico se usa le energía reticular (U)

Modelo iónico ideal

Evidencias de la existencia de iones

Energía de red

Ciclo de Born-Haber

Enlace de tránsito

En ciertos tipos de especies puede haber enlaces iónicos o covalentes intermedio. Recordemos que el enlace covalente es un buen modelo cuando describimos el enlace entre elementos no metálicos de similar electronegatividad. Por otro lado, el modelo iónico funciona bien cuando combinamos un metal y un no metal de muy diferente electronegatividad. Sin embargo, en el sentido estricto, no hay sustancias 100% iónicas o covalentes. Podemos tener otras situaciones, como parcialmente iónicos (iónico polarizado) o parcialmente covalentes (covalente polar). ¿De que va a depender? De la diferencia de electronegatividad entre los átomos, representado como ΔEn.

En moléculas de igual átomo, como el diflúor, la transferencia de electrones será igual y por lo tanto será un covalente puro. En el HBr el Br es más electronegativo y desplaza un poco hacia su lado los electrones, siendo covalente polar, el HF... completar. Si la diferencia de electronegatividad es mayor a 1.7 será mayormente iónico. Si es < 0.4 será mayormente covalente. Si es un valor intermedio será covalente polar o iónico polarizado; dependerá del comportamiento fisicoquímico a nivel experimental y la naturaleza de los átomos (metales o no metales. Si no hay diferencia de electronegatividad será un enlace covalente no polar.

Carácter iónico del enlace covalente

Cuando el enlace covalente se encuentra polarizado, por diferencias de electronegatividad entre los átomos, se genera una región negativa (en torno al átomo más electronegativo) y una región positiva (en torno al átomo que cede los electrones) que se conoce como dipolo y se representa como densidad de carga (δ). Al positivo se lo representará con una delta minúscula y el signo positivo y lo mismo para el negativo. Esto se demostró experimentalmente al colocar la molécula entre placas magnéticas que emitían un campo magnético: al estar este campo magnético activo, las moléculas se reordenaban de forma tal en la que el extremo de densidad de carga positiva dirigía a la parte negativa del campo magnético y viceversa. En una molécula de mismos átomos no habría reordenamiento. A la molécula que presente un dipolo se le puede hallar lo que se denomina momento dipolar de enlace (μ), el cual es un vector que caracteriza a la polaridad del dipolo mencionado. Como todo vector, tendrá la dirección del enlace, un sentido que va del δ+ al δ− y una magnitud (que no será abordada en este curso) dada por la ecuación $\mu =Q\cdot r$ (siendo Q la carga en cualquiera de los dos extremos del dipolo y r la distancia entre las cargas), medido en debyes (D = 3.33 x 10³⁰ Cm —culombio por metro—).

El momento dipolar de enlace visto recién también puede ayudarnos a determinar el grado de polaridad de una molécula, surgiendo así el concepto de momento dipolar molecular. Este es la suma vectorial de todos los momentos dipolares de enlace en la molécula. Las moléculas en las que el átomo central está rodeado simétricamente por átomos idénticos, como el BF₄ o el CCl₄, son no polares, porque su momento dipolar es 0, a pesar de la polaridad de los enlaces individuales. Sin embargo, el ejemplo del NH3 resulta engañoso para este razonamiento. Al realizar la suma vectorial, daría 0 pero incurriríamos en un error al no considerar su tridimensionalidad. Este molécula tiene un par de electrones desapareados que tienen su propio momento dipolar que, por convención, en este curso irá en sentido al núcleo del átomo. Por lo tanto, serán cuatro vectores hacia "arriba", lo que da un momento dipolar molecular importante.

Carácter covalente del enlace iónico (iónico polarizado)

Se da una situación particular en laque hay un catión y un anión completamente esféricos, y en el otro extremo una esfera y uno deformado (anión). Eso sifniic que está polarizado, es decir la nube electrónica se deforma tendiendo a solapar, pero sin hacerlo porque sino sería covalente. El ion polarizado es el que se deforma, y el que deforma al otro es el polarizante. Generalmente es el anión el polariado porque suele haber una mayor riqueza electrónica lo que hará que el núcleo del catión probablemente atraiga a estos. Hay diferentes niveles y se presenta en diferentes situaciones, pero Fajans propuso una serie de reglasp ara ver cuándo podía ser algo covalente o polarizado:

Dijo que hay cationes polarizantes y aniones polarizables. Los cationes polariantes son pequeños con carga elevada y que no presentan estructura electrónica de un gas noble. Cuanto menor es el catión mayor es el apantallamiento y por lo tanto será polarizante.

Los aniones polarizables se trata de aniones con gran volumen. El motivo es porque al tener tantos electrones en las capas internas los de la externa apenas sienten la fuerza del núcleo y son más fácilmanete deformables.

Como ejemplos, tenemos cloruros de metales alcalinotérreos para ver el efecto del punto de fusión (berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio). Fajans decía que un catión pequeño tiene a polarizar. O sea berilio es más polarizante por tamaño y es más covalente. Su punto de fusión es menor y eso está comprobado. Un aumento hacia los cationes más grandes mayor características iónicas y mayor punto de fusión.

Como ejemplo del anión polarizable, se mantiene el metal (aluminio) y varía el anión para los halógenos, por ejemplo, en vez de mostrar el punto de fusión se analiza la solubilidad en agua. Cuanto mayor, más iónico, al menos en el contexto del curso. Un anión pequeño como