ENLACE IÓNICO. REDES IÓNICAS...UNIDAD DIDÁCTICA 3: EL ENLACE QUÍMICO (1ª PARTE) QUÍMICA. 2º...
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UNIDAD DIDÁCTICA 3: EL ENLACE QUÍMICO (1ª PARTE) QUÍMICA. 2º BACHILLERATO. PROFESOR: CARLOS M. ARTEAGA 1 QUÍMICA. 2º DE BACHILLERATO PROFESOR: CARLOS MARTÍN ARTEAGA UNIDAD DIDÁCTICA 3: EL ENLACE QUÍMICO PARTE 1: NATURALEZA DEL ENLACE QUÍMICO. EL ENLACE IÓNICO 6.- ENLACE IÓNICO. REDES IÓNICAS ESTUDIA / APRENDE En qué consiste el enlace iónico. La forma que tienen de enlazarse los metales con los no metales. La definición de cristal o red. La definición de Red iónica. El significado de la fórmula de un compuesto iónico y la manera de deducir dicha fórmula. A qué llamamos celda unidad o elemental y número de coordinación. Los principios que se cumplen en todas las redes cristalinas. Los tipos de redes cristalinas más comunes con sus números de coordinación. El ENLACE IÓNICO se forma cuando se unen átomos de elementos metálicos con átomos de elementos no metálicos. Los metales tienen tendencia a perder electrones y los no metales a ganarlos para adquirir así la configuración electrónica s 2 p 6 en la última capa correspondiente a la del gas noble más cercano. Para ello habrá una transferencia de electrones de los metales a los no metales convirtiéndose los metales en iones positivos o cationes y los no metales en iones negativos o aniones. Una vez formados estos iones, los cationes, debido a su carga positiva, atraen a los aniones (partículas cargadas con diferente signo se atraen), y éstos a su vez atraen a los cationes de forma que los cationes se rodean de aniones y los aniones de cationes. De esta forma se crean agrupaciones de iones atraídos entre sí por grandes fuerzas electrostáticas (iones con cargas de diferente signo se atraen), que ocupan posiciones fijas (son sólidos) y están ordenados de forma regular llamadas CRISTALES IÓNICOS o REDES IÓNICAS. Un CRISTAL O RED es, en general, un conjunto de innumerables partículas estrictamente ordenadas en posiciones fijas, por lo que se trata de un sólido. Una RED IÓNICA es, por tanto, una agrupación de iones positivos y negativos ordenados en las tres dimensiones de forma regular conformando un sólido muy estable. Estos iones se encuentran atraídos entre sí, por tanto, por grandes fuerzas electrostáticas. Las fuerzas de unión son, por tanto, las fuerzas eléctricas de atracción entre cationes (carga positiva) y aniones (carga negativa) Llamamos COMPUESTOS IÓNICOS a aquellos cuya estructura es una red iónica. Son por tanto los compuestos químicos formados por átomos metálicos y no metálicos en una proporción fija que identifica a cada compuesto. RECUERDA: Para que una sustancia sea sólida es necesario que las fuerzas de atracción entre las partículas que las caracterizan sean lo suficientemente grandes como para que ocupen posiciones fijas; en el caso de los compuestos iónicos estas fuerzas son especialmente de gran magnitud ya que se trata de fuerzas de atracción entre partículas cargada con cargas eléctricas de diferente signo (los cationes y los aniones se atraen fuertemente entre sí). Por eso todos los compuestos iónicos son sólidos.
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UNIDAD DIDÁCTICA 3: EL ENLACE QUÍMICO (1ª PARTE)
QUÍMICA. 2º BACHILLERATO. PROFESOR: CARLOS M. ARTEAGA
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QUÍMICA. 2º DE BACHILLERATO
PROFESOR: CARLOS MARTÍN ARTEAGA
UNIDAD DIDÁCTICA 3: EL ENLACE QUÍMICO
PARTE 1: NATURALEZA DEL ENLACE QUÍMICO. EL ENLACE IÓNICO
6.- ENLACE IÓNICO. REDES IÓNICAS
ESTUDIA / APRENDE
En qué consiste el enlace iónico.
La forma que tienen de enlazarse los metales con los no metales.
La definición de cristal o red.
La definición de Red iónica.
El significado de la fórmula de un compuesto iónico y la manera de deducir dicha fórmula.
A qué llamamos celda unidad o elemental y número de coordinación.
Los principios que se cumplen en todas las redes cristalinas.
Los tipos de redes cristalinas más comunes con sus números de coordinación.
El ENLACE IÓNICO se forma cuando se unen átomos de elementos metálicos con átomos de elementos no metálicos.
Los metales tienen tendencia a perder electrones y los no metales a ganarlos para adquirir así la configuración electrónica s2p6 en la última capa correspondiente a la del gas noble más cercano. Para ello habrá una transferencia de electrones de los metales a los no metales convirtiéndose los metales en iones positivos o cationes y los no metales en iones negativos o aniones.
Una vez formados estos iones, los cationes, debido a su carga positiva, atraen a los aniones (partículas cargadas con diferente signo se atraen), y éstos a su vez atraen a los cationes de forma que los cationes se rodean de aniones y los aniones de cationes.
De esta forma se crean agrupaciones de iones atraídos entre sí por grandes fuerzas electrostáticas (iones con cargas de diferente signo se atraen), que ocupan posiciones fijas (son sólidos) y están ordenados de forma regular llamadas CRISTALES IÓNICOS o REDES IÓNICAS.
Un CRISTAL O RED es, en general, un conjunto de innumerables partículas estrictamente ordenadas en posiciones fijas, por lo que se trata de un sólido.
Una RED IÓNICA es, por tanto, una agrupación de iones positivos y negativos ordenados en las tres dimensiones de forma regular conformando un sólido muy estable. Estos iones se encuentran atraídos entre sí, por tanto, por grandes fuerzas electrostáticas.
Las fuerzas de unión son, por tanto, las fuerzas eléctricas de atracción entre cationes (carga positiva) y aniones (carga negativa)
Llamamos COMPUESTOS IÓNICOS a aquellos cuya estructura es una red iónica. Son por tanto los compuestos químicos formados por átomos metálicos y no metálicos en una proporción fija que identifica a cada compuesto.
RECUERDA: Para que una sustancia sea sólida es necesario que las fuerzas de atracción entre las partículas que las caracterizan sean lo suficientemente grandes como para que ocupen posiciones fijas; en el caso de los compuestos iónicos estas fuerzas son especialmente de gran magnitud ya que se trata de fuerzas de atracción entre partículas cargada con cargas eléctricas de diferente signo (los cationes y los aniones se atraen fuertemente entre sí). Por eso todos los compuestos iónicos son sólidos.
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ENLACE IÓNICO
En el caso de un metal, como el sodio, y un no metal, como el cloro, es el metal el que pierde los electrones para cedérselos al no metal. El número de electrones que pierde cada átomo metálico y el que gana cada átomo no metálico viene determinado por su valencia iónica.
En el ejemplo, cada átomo de sodio (en naranja) pierde un electrón y cada átomo de cloro (en verde) gana uno. Por eso la proporción de los iones en la red iónica es de 1:1 (NaCl).
A la izquierda podemos observar una representación de la red iónica de cloruro de sodio. Los nudos de la red están ocupados por iones, de tal manera que las fuerzas de atracción entre los negativos (los de cloro, en verde) y los positivos (los de sodio, en naranja) hacen que permanezcan en posiciones fijas. Es lo que llamamos un cristal iónico.
Otra forma de explicarlo sería el sistema de muelles que aparece figura de la derecha: Los muelles representan las fuerzas de atracción que hay entre los iones de distinto signo que no les permite escapar de su posición.
Las fórmulas de los compuestos iónicos nos indican la proporción de cada elemento dentro de la red iónica.
Así:
el cloruro de sodio (NaCl) tiene un átomo de sodio por cada átomo de cloro;
el bromuro de aluminio (AlBr3) tiene tres átomos de bromo por cada átomo de aluminio o
el nitruro de calcio (Ca3N2) tiene tres átomos de calcio por cada dos átomos de nitrógeno.
Podemos comprobar la relación que existe entre valencia iónica y la proporción de cada uno de los elementos en el compuesto iónico:
Sea por ejemplo el bromuro de aluminio cuya fórmula es AlBr3.
La valencia iónica del Aluminio es +3, es decir cada átomo de aluminio pierde tres electrones para adquirir
una configuración electrónica estable convirtiéndose en un catión Al3+. La valencia iónica del bromo es –1, es
decir cada átomo de bromo necesita un electrón para así tener su configuración electrónica estable,
formándose un anión Br–. El electrón que necesita el átomo de bromo lo capta del átomo del aluminio, pero
cada átomo de aluminio se desprende de ¡tres electrones!, por lo que por cada átomo de aluminio que se
convierte en catión habrá tres átomos de bromo que se conviertan en aniones; por eso la fórmula es AlBr3:
por cada átomo de aluminio hay tres átomos de bromo. Fíjate que en la fórmula el subíndice que lleva el
aluminio (el uno, que no se escribe) corresponde al valor de la valencia iónica del bromo (sin el signo) y el
subíndice que lleva el bromo (el tres) corresponde a la valencia iónica del aluminio (también sin el signo). (Por
eso habrás oído la regla mnemotécnica “para escribir las fórmulas de los compuestos iónicos se escriben los
símbolos de los elementos y como subíndices se intercambian las valencias").
Ten también en cuenta que cualquier cristal iónico tiene que ser eléctricamente neutro y que las cargas de los iones dependen del número de electrones ganados o perdido; así en el caso de tener cationes Aluminio y aniones Bromo por cada ión con carga eléctrica +3 tendrá siempre que haber tres iones con carga eléctrica -1.
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IONES POLIATÓMICOS: No todos los iones están formados por un átomo que ha perdido o ganado electrones; en muchas ocasiones nos encontramos con un conjunto de átomos unidos entre sí que también ha perdido o ganado electrones. De todas maneras en ellos también podemos hablar de valencia iónica como la carga que tienen después de ganar o perder electrones. Entre los más usuales tenemos:
NH4+ Ion Amonio. Valencia iónica +1.
OH– Ion hidroxilo o hidróxido. Valencia iónica –1.
NO3– Ion Nitrato. Valencia iónica –1.
SO42– Ion Sulfato. Valencia iónica –2.
CO32– Ion Carbonato. Valencia iónica –2.
PO43– Ion Fosfato. Valencia iónica –3
Si nos encontramos que la fórmula de un compuesto químico es Ca3(PO4)2 estamos ante un compuesto iónico, el fosfato de calcio, en que habrá en la red o cristal iónico tres cationes calcio Ca2+ por cada dos aniones fosfato (PO4)3–. Al estudiar la formulación podrás ver todos los existentes.
ACTIVIDADES RESUELTAS:
¿Entre qué grupos del Sistema Periódico se forman fundamentalmente enlaces iónicos?:
a) s1 y s2; b) s1 y p4; c) s1 y p5; d) p4 y p5; e) s2 y p4; f) s2 y p5
Como hemos visto el enlace iónico se forma entre metales y no metales ya que la diferencia de electronegatividad entre ellos es muy grande. Este requisito se cumple en los casos b); c); e) y f).
Los elementos , , , tienen números atómicos Z = 8, 9, 10 y 12 respectivamente. ¿Qué compuestos iónicos podemos formar con ellos y qué fórmulas tendrían?
Podemos hacer la configuración electrónica de cada uno de ellos y determinar la valencia iónica que le corresponde, de donde deduciremos entre cuáles de ellos se puede formar este enlace y la fórmula correspondiente al compuesto iónico:
= 1s2 2s2 2p4 V.I. = –2
= 1s2 2s2 2p5 V.I. = –1
= 1s2 2s2 2p6 V.I. = 0
= 1s2 2s2 2p6 3s2 V.I. = +2
Por lo que los elementos entre los que se pueden formar enlaces iónicos son:
Entre y , con fórmula . Entre y , con fórmula 2.
¿En cuáles de las siguientes sustancias podemos esperar enlaces iónicos?: Neon, agua, etanol, silicio, cloruro de sodio, aluminio, bromuro de calcio, clorato de potasio.
En las sustancias en las que aparezcan elementos metálicos y elementos no metálicos, que en este caso son: cloruro de sodio, bromuro de calcio y clorato de potasio.
¿Cuál es el significado de la fórmula del cloruro de calcio CaCl2? ¿Por qué?
La fórmula de un compuesto iónico nos indica la proporción que hay de iones positivos y negativos en una red iónica. Así la fórmula CaCl2 nos dice que en la red iónica del cloruro de calcio por cada dos aniones cloruro hay un catión calcio.
¿Por qué crees que los compuestos iónicos son sólidos?
Un compuesto sólido tiene sus partículas ocupando posiciones fijas debido a las fuerzas de atracción que hay entre ellas. Un compuesto iónico está formado por iones de cargas opuestas lo que hace que dichos iones se atraigan entre sí con mucha fuerza (cargas de distinto signo se atraen) lo que hace que ocupen posiciones fijas formando una red cristalina.
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CELDA UNIDAD Y NÚMERO DE COORDINACIÓN
En un cristal iónico, como puedes observar en la figura, hay una unidad básica que se va repitiendo, es lo que llamamos CELDA UNIDAD O ELEMENTAL, que es la unidad más pequeña del cristal iónico que tiene idéntica simetría que la estructura del cristal macroscópico. Es decir es el paralelepípedo más pequeño cuya repetición espacial da origen a toda la red cristalina.
Según como sean los tamaños relativos de los iones que forman la red iónica, así será la geometría de la celda elemental. Hay que tener en cuenta que cuando un átomo metálico neutro se convierte en catión, su radio disminuye, y cuando un átomo no metálico neutro se convierte en anión su radio aumenta; por tanto los radios atómicos sufren variación al perder o ganar electrones, sus valores son diferentes a los radios iónicos.
En un cristal iónico los iones más próximos a uno dado son de carga eléctrica de signo contrario, por lo que se define el NÚMERO O ÍNDICE DE COORDINACIÓN como el número de iones de signo contrario más próximos que rodean a un ion dado en un cristal iónico. Hablamos siempre de número de coordinación del anión y de nº de coordinación del catión. El valor del número de coordinación depende del tamaño relativo de los iones y de la carga de los mismos.
Los principios que cumple toda red cristalina cuando se forma son los siguientes:
• El cristal es eléctricamente neutro (el número total de cargas positivas y negativas es el mismo).
• Los iones de un signo que rodean a los de signo contrario se disponen simétricamente para tener la mínima repulsión entre cargas iguales.
• Los iones se rodean de la forma más compacta posible es decir, cada ion se rodea de tantos iones de signo contrario como permita la relación de tamaños (el número de coordinación tiende a ser lo mayor posible).
• Cuando los iones de distinto signo tienen igual carga los números de coordinación de ambos coinciden, en caso de diferentes cargas, los números de coordinación del anión y del catión son diferentes.
• La ordenación depende de la relación entre los tamaños de los iones. La estructura tridimensional llamada celda unidad que se forma se repite constantemente en las tres direcciones.
Existen 14 redes cristalinas agrupadas en 7 sistemas cristalinos.
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Las redes más comunes son:
• Red cúbica centrada en el cuerpo:
Cada ion se rodea de 8 iones de signo contrario (8:8).
(Número o índice de coordinación para ambos iones: 8)
• Red cúbica centrada en las caras.
Cada ion se rodea de 6 iones de signo contrario (6:6).
(Número o índice de coordinación para ambos iones: 6)
• Red tetraédrica.
Cada ion se rodea de 4 iones de signo contrario (4:4).
(Número o índice de coordinación para ambos iones: 4)
• Red de la fluorita.
Cada catión está rodeado de 8 aniones y cada anión de cuatro cationes (8:4)
(Número o índice de coordinación del catión 8. Número o índice de coordinación del anión 4)
ACTIVIDAD RESUELTA:
El cloruro de cesio cristaliza en una red cúbica centrada en el cuerpo. Indica cuál es el número de coordinación de cada ion.
El índice de coordinación en un cristal iónico se define como el número máximo de iones que rodean a otro de carga opuesta. En una red iónica con estructura centrada en el cuerpo un catión colocado en el centro de un cubo se encuentra rodeado por ocho aniones colocados en los vértices del cubo. El índice de coordinación en la red de cloruro de cesio es 8:8, es decir para cada ion.
CONTESTA Y REPASA
¿Cuál es el significado de la fórmula de un compuesto iónico?
La configuración electrónica 1s2 2s2p6 3s2p6 corresponde a un ion con dos cargas positivas Y2+.
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a) ¿Cuál es el número atómico de Y? ¿A qué periodo pertenece? ¿Cuántos electrones de valencia posee este elemento? JUSTIFICA todas las respuestas. b) ¿Qué tipo de enlace formaría el elemento Y con un elemento X cuya configuración electrónica fuese 1s2 2s2p5? ¿Cuál sería la fórmula de un compuesto formado por X e Y? ¿Cuál es el significado de dicha fórmula?
Deduce la fórmula del compuesto químico formado por átomos de calcio y de azufre (sulfuro de calcio). ¿Qué regla podemos seguir para escribir las fórmulas de los compuestos iónicos sin necesidad de estar deduciendo sus fórmulas?
Escribe la fórmula del compuesto químico formado por iones sulfato e iones aluminio. ¿Cuál es el significado de dicha fórmula? ¿Por qué?
¿Por qué crees que los compuestos iónicos son sólidos?
