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B2Q U03.3 Enlace iónico - Contenido educativo

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Subido el 28 de julio de 2021 por Raúl C.

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Hola a todos, soy Raúl Corraliza, profesor de química de segundo de bachillerato en el IES 00:00:15
Arquitecto Pedro Gumiel de Alcalá de Henares y os doy la bienvenida a esta serie de videoclases 00:00:22
de la unidad 3 dedicada al estudio del enlace químico. En la videoclase de hoy estudiaremos 00:00:26
el enlace iónico. En esta videoclase vamos a estudiar el enlace iónico que es una de las 00:00:38
fuerzas intramoleculares que aparece entre átomos para formar otras estructuras de mayor tamaño y 00:00:52
no voy a decir que para formar moléculas porque como veremos más adelante los enlaces iónicos 00:00:58
forman otro tipo de estructuras que se llaman redes cristalinas. Como podéis ver ahí el enlace 00:01:03
iónico se forma entre átomos que tienen una gran diferencia de electronegatividad y este valor 00:01:08
numérico 1,7 es una referencia que he tomado que es la más repetida en la bibliografía que he podido 00:01:15
consultar, aunque no es la única. A la hora de separar enlace iónico y enlace covalente, 00:01:21
que veremos en la próxima videoclase, hay distintos valores, aparte de 1,7, que se suelen tomar. 00:01:27
Átomos que tengan una gran diferencia de electronegatividad son típicamente metales 00:01:34
y no metales. Los elementos no metálicos se encuentran en torno a la esquina superior 00:01:39
derecha de la tabla periódica, cerca de los gases nobles. Son elementos con una gran tendencia 00:01:45
a traer para sí el par de electrones de enlace y los elementos metálicos se encuentran típicamente, 00:01:50
sobre todo si pensamos en los metales alcalinos y alcalinotérreos en el bloque S, en el otro extremo 00:01:56
de la tabla periódica, en el lado izquierdo, y son elementos que tienen una muy baja tendencia a 00:02:01
captar el par de electrones de enlace. Lo que ocurre cuando entran en contacto elementos con 00:02:06
electronegatividades tan dispares es que cuando se ponen en contacto el elemento más electronegativo 00:02:13
que tiene una gran tendencia a formar aniones, tiende a robarle un electrón, a captar un electrón 00:02:19
del otro átomo, del menos electronegativo, y que por oposición tiene una gran tendencia a ceder 00:02:24
electrones. Así que, típicamente el elemento no metálico, que es el más electronegativo, 00:02:31
captará electrones y se convertirá en un anión, y típicamente el elemento metálico, 00:02:36
que es el menos electronegativo, tenderá a ceder electrones y convertirse en un catión. 00:02:42
El enlace iónico se formará, pues, por la fuerza de interacción electrostática entre las cargas de distinto signo, que son el cation, el elemento metálico, y el anión, el elemento no metálico. 00:02:47
Así que, como podemos ver, el enlace iónico es, en realidad, una fuerza de atracción electrostática de carácter colombiano. 00:03:01
Si nos fijamos en cada uno de los átomos que aparecen en el enlace iónico 00:03:09
para cada uno de ellos vamos a llamar electrovalencia o valencia iónica 00:03:15
al número de enlaces iónicos que forma 00:03:19
que se corresponde con el número de electrones bien cedidos o bien captados 00:03:22
y como podéis ver ahí se corresponde con el número de electrones que necesito ceder o captar 00:03:26
para cumplir con la regla del octeto y conseguir la configuración electrónica de un gas nube 00:03:33
Y acerca de esto discutiremos más adelante. 00:03:38
En lo que respecta a la estructura interna de los compuestos que se forman mediante enlaces iónicos, 00:03:42
ya avancé anteriormente que no forman moléculas, sino otro tipo de estructuras que se denominan redes cristalinas. 00:03:47
Y es que cuando se produce la transferencia de electrones que caracteriza al compuesto iónico, 00:03:54
esto no ocurre entre un único no metal que se convierte en un anión y un único metal que se convierte en un cation, 00:03:59
sino en una multiplicidad de átomos que se convierten en aniones y una multiplicidad de átomos que se convierten en cationes, simultáneamente y todos próximos. 00:04:06
Entre todos estos iones, entre cationes entre sí, aniones entre sí y entre cationes y aniones, aparecen fuerzas de Coulomb, 00:04:15
de tal forma que todos ellos tienden a distribuirse y a ubicarse en el espacio de tal forma que el conjunto tenga energía mínima, 00:04:25
de tal forma que la repulsión entre iones del mismo signo tienda a minimizarse 00:04:35
y la atracción entre iones de distinto signo tienda a maximizarse. 00:04:41
Ese tipo de configuración se denomina red cristalina, 00:04:46
puesto que las ubicaciones de los iones dentro de la red van a ser perfectamente regular. 00:04:50
La estructura va a tener una gran estabilidad y lo que vamos a obtener siempre va a ser cationes 00:04:56
rodeado por aniones y por otro lado aniones rodeados por cationes. Entre otras características 00:05:02
típicas y características de este tipo de redes cristalinas es que en primer lugar la estructura 00:05:09
debe ser neutra, debe contener la misma cantidad de cargas positivas contando todos los cationes 00:05:14
que de cargas negativas contando todos los aniones. Y por otro lado otra característica es que el 00:05:20
empaquetamiento debe ser el máximo. Eso quiere decir que cationes y aniones se van a colocar 00:05:26
de tal forma que el espacio entre ellos sea el mínimo posible. La forma en la cual se produce 00:05:34
este empaquetamiento depende no sólo de si los iones tienen carga una, dos, tres, cuatro veces 00:05:40
la del electrón, positiva o negativa, sino que depende también de los distintos radios iónicos 00:05:48
de los cationes y de los aniones. Si tenemos en consideración todas las distintas posibilidades, 00:05:53
lo que estamos haciendo es estudiar una rama de la química o bien de la geología que se llama 00:06:02
la cristalografía. Existen un total de 14 configuraciones cristalinas básicas, se denominan 00:06:09
redes de Bravet, que exceden muchísimo de lo que es nuestro temario, pero resulta interesante saber 00:06:15
que hay no una, dos, tres, cuatro configuraciones distintas, sino hasta catorce. Y estas dependen 00:06:22
no sólo del tipo de iones que están formando la red cristalina, sino de otro tipo de condiciones 00:06:27
que cuando llegue el momento y cuando nos salga este preciso tema más adelante, trataremos con 00:06:33
un poco más de cuidado. En este contexto de los compuestos iónicos no se define la energía de 00:06:39
enlace como tal, sino que se define una magnitud alternativa que se llama energía de red o energía 00:06:47
reticular y que se representa con la letra mayúscula U. La energía de enlace, os recuerdo 00:06:53
que era la energía liberada cuando se formaba un mol de enlaces y en este caso, en este 00:06:58
contexto, la energía de red se define como la energía necesaria para separar un mol 00:07:04
de compuesto iónico. Ya no estamos hablando de un mol de enlaces, sino un mol del compuesto 00:07:10
iónico correspondiente. Y ya no estamos hablando de la energía liberada, sino la energía 00:07:15
que tiene que absorber el compuesto iónico para poder separar los iones que lo conforman. 00:07:20
Así que, en este caso, la energía de red va a ser una magnitud siempre positiva. 00:07:26
¿Cómo puede determinarse la energía de red? 00:07:32
Bueno, pues habría dos alternativas posibles. 00:07:34
Desde el punto de vista analítico, se puede calcular la energía de red mediante la conocida ecuación de Bornlande, 00:07:37
que os presento aquí y que no debemos aprendernos de memoria, 00:07:44
no necesitamos saber que es menos el número de abogadro por la constante de Madelung, etc., 00:07:49
sino que tan solo necesitamos conocer de qué depende y cómo depende. 00:07:54
En concreto, la energía de red depende de la carga iónica del cation y del anión 00:07:59
que conforman el compuesto iónico, puesto que aquí tengo Zc y Za, 00:08:07
que son respectivamente las cargas del cation y del anión, 00:08:12
Y se encuentran en el numerador, lo cual quiere decir que cuanto mayor sea la carga, mayor será la energía de red. 00:08:14
También depende de A mayúscula la constante de Madelung, cuyo valor depende de la estructura cristalina. 00:08:21
Nosotros no necesitamos conocer las estructuras cristalinas ni los valores de la constante de Madelung. 00:08:28
Lo único que necesitamos saber es que si un mismo compuesto puede formar dos redes distintas, 00:08:33
sus energías de red serán a su vez distintas, puesto que la constante de Madelung cambia. 00:08:39
Asimismo, el último factor que nosotros necesitamos conocer del que depende la estructura de red es este valor r0, 00:08:46
que es la distancia de equilibrio entre aniones y cationes lo más próximos posibles. 00:08:52
Y como veis aparece en el denominador. 00:08:57
Eso quiere decir que cuanto mayor sea la distancia que separa los centros de los núcleos de la anión y del cation, 00:08:59
menor será la energía de red y viceversa. 00:09:05
Echándole un vistazo a la ecuación, alguien podría decir, pero Raúl, tú has dicho hace un momento, hace escasos dos minutos, que la energía de red es positiva, puesto que se trata de la energía absorbida por el compuesto iónico para disgregarse en sus aniones y cationes constituyentes. 00:09:09
Y aquí estoy viendo un signo menos. ¿Cómo cuadra el hecho de que en la ecuación de Born-Lande aquí haya un signo menos con el hecho de que tú hayas dicho que la energía de red debe ser una magnitud positiva? 00:09:30
Bueno, pues este signo menos lo que hace es cancelar el signo negativo de la carga del año. 00:09:42
Tened mucho cuidado, por favor, con este tipo de cosas que nos va a aparecer bastantes veces más adelante. 00:09:47
El hecho de que en una expresión haya un signo negativo no quiere decir que necesariamente la magnitud sea definida negativa o al menos definida no positiva. 00:09:53
Lo único que dice es que cambia el signo de lo que haya a continuación. 00:10:03
Y si lo que hay a continuación tiene un signo menos, lo que quiere decir es que precisamente u es una magnitud positiva. 00:10:06
Bueno, esto desde el punto de vista analítico. 00:10:13
No puedo determinar empíricamente la energía de red. 00:10:15
Bueno, pues si la quiero determinar directamente, a partir de su definición, no es posible. 00:10:20
Sí es posible idear una metodología para, a partir de valores experimentales, poder determinar mediante una expresión algebraica la energía de red. 00:10:27
Y es lo que se llama el ciclo de Born-Haber, que lo único que hace es diseñar mediante dos rutas una misma reacción química 00:10:39
y utilizar la ley de Hess para decir que la energía, la variación de entalpía en este caso, 00:10:47
que nosotros determinaríamos por un método, tiene que ser igual a la que determinaríamos por el otro. 00:10:55
La energía de red es uno de los términos que aparece ahí. 00:11:01
Y si todas las magnitudes involucradas son conocidas, excepto U, yo podré calcular U de una u otra manera. 00:11:04
Vamos a estudiar el ciclo de Borghaber con el ejemplo concreto de la formación del flúor de litio, 00:11:12
que tenemos aquí como estado final en esta línea roja, LiF en estado sólido. 00:11:17
Vamos a obtener flúor de litio a través de las sustancias elementales que le corresponden, litio y flúor, 00:11:23
en el estado en el que se encuentran en estado estándar, condiciones estándar. 00:11:31
Así que tenemos un mol de litio en estado sólido y medio mol de moléculas de difluor en estado gaseoso, 00:11:34
puesto que os recuerdo que el flúor es una de esas sustancias que la sustancia elemental nos la encontramos en condiciones estándar, 00:11:40
en forma de moléculas diatómicas en estado gaseoso. Así que para tener al final un mol 00:11:47
de átomos de flúor dentro del flúor de litio, necesitamos medio mol de moléculas de diflúor. 00:11:53
Esto va a ser importante un poco más adelante. Bueno, si pasamos directamente del estado 00:11:59
inicial en verde al estado final en rojo, hay una magnitud termodinámica característica 00:12:04
que me permite caracterizar esto, precisamente el paso de las sustancias elementales a la 00:12:09
sustancia final, que es la variación de entalpía de formación y que yo puedo encontrar tabulada 00:12:15
por ahí. Puedo pasar del estado inicial al final directamente, como he dicho, o bien puedo ir 00:12:20
realizando una serie de pequeñas transformaciones elementales que me permitan llegar a donde yo 00:12:25
quisiera. Por ejemplo, en este caso voy a empezar con el litio que tengo aquí en estado sólido y lo 00:12:30
primero que voy a hacer es darle la energía necesaria como para pasarlo de estado sólido a 00:12:36
estado gaseoso. Lo que necesito es darle la entalpía de sublimación, el paso de 00:12:41
sólido a gas. Ahora que ya tengo litio en estado gaseoso, litio es un elemento 00:12:47
metálico con una notable tendencia a perder electrones, bueno pues lo que voy 00:12:52
a hacer es darle la energía necesaria para pasar de estos átomos en estado 00:12:57
gaseoso a los cationes correspondientes, cationes monopositivos, cediendo los 00:13:01
electrones. Esto es la energía de ionización. Como habíamos visto en una 00:13:06
de las videoclases de la unidad anterior. Así que, partiendo del litio sólido, una vez le he dado la 00:13:11
entalpía de sublimación y la primera energía de ionización, lo que tengo son ya cationes de litio 00:13:17
en estado gaseoso y un mol de electrones. Voy a pasar al difluor. Tengo medio mol de moléculas 00:13:23
de difluor y lo primero que necesitaría es disociar la molécula. Quiero partirla en dos y 00:13:30
sino obtener átomos de flúor en estado gaseoso. 00:13:35
Bueno, eso no es en sentido estricto la energía de enlace. 00:13:39
Os recuerdo que la energía de enlace la definíamos como la que se liberaba cuando se formaba un mol de enlaces. 00:13:42
Yo aquí no estoy formando enlaces, estoy rompiéndolos. 00:13:48
Así que voy a utilizar una notación distinta, voy a hablar de energía de disociación. 00:13:51
Es la energía que tengo que dar a un mol de moléculas, a un mol de enlaces, para separarlos, para disociar la molécula. 00:13:56
En este caso voy a dar un medio de la energía de disociación, un medio porque tengo medio mol de moléculas de difluor y con eso lo que voy a hacer es obtener átomos de flúor en estado gaseoso. 00:14:02
El flúor sé que es un metal con una notable tendencia a captar electrones y resulta que en el medio tengo electrones disponibles, electrones libres, pues lo que va a pasar es que los átomos de flúor van a captar los electrones y se van a convertir en aniones flúoruro en estado gaseoso. 00:14:15
Y para eso lo que va a ocurrir es que se va a liberar la afinidad electrónica, que también habíamos definido en la misma videoclase de la unidad anterior, es la energía que se libera cuando un mol de átomos en estado gaseoso capta un mol de electrones. Cada átomo capta un electrón. 00:14:31
Ya tenemos, una vez hechas todas estas transformaciones, cationes de litio en estado gaseoso y aniones fluoro en estado gaseoso. 00:14:49
Bien, pues cuando se unen por la acción de la fuerza de atracción electrostática colombiana entre cargas de distinto signo para formar el fluoro de litio en estado sólido, 00:14:59
puesto que estos cationes ya van a ocupar posiciones fijas dentro de la red cristalina, lo que se libera es, por definición, la energía de red U. 00:15:09
Así pues, hemos pasado de los elementos litio y flúor, en el estado en el que nos encontramos en condiciones estándar, a la red cristalina, flúoruro de litio, de dos maneras. 00:15:18
En el modo directo yo puedo leer esta variación de entalpía en una tabla. Y si voy paso a paso, todas estas energías las puedo encontrar tabuladas, excepto probablemente la energía de red, y podría determinarla a partir de todas las demás. 00:15:33
¿Cómo? Pues aplicando la ley de Hess, puesto que yo puedo ir del estado inicial al final por dos medios, la suma de las energías involucradas en los dos caminos tienen que ser iguales. 00:15:48
Así pues, la energía de formación, la variación de entalpía de formación, que sería el proceso directo y que tengo aquí en esta expresión en el miembro de la izquierda, tiene que ser igual a la suma de 00:15:57
La entalpía de sublimación, la energía de ionización, la mitad de la energía de disociación, puesto que os recuerdo una vez más que está referida a un mol de enlaces y aquí estoy disociando medio mol de moléculas, la afinidad electrónica y la energía de red. 00:16:09
Aquí tengo la suma de todas estas energías que os he dicho en el miembro de la derecha. 00:16:27
La variación de entalpía de sublimación del litio sólido, la energía de ionización del litio, un medio de la entalpía de disociación del difluor, la afinidad electrónica del flúor y la energía de red. 00:16:32
Como decía anteriormente, si conocemos todas estas magnitudes termodinámicas excepto una, típicamente la energía de red, despejando y sustituyendo, yo podría calcular la energía de red de este método. 00:16:46
Y este método se conoce como el ciclo de Born-Haber. No el método, no esta fórmula, pero sí la fórmula de construir la suma de energías para alcanzar este estado final. 00:16:58
En relación con la energía de red y el ciclo de Born-Haber, ya podéis resolver los ejercicios propuestos del 2 al 4. 00:17:10
No podemos finalizar esta videoclase del enlace iónico sin repasar las propiedades de los compuestos iónicos. 00:17:19
Entre otras, las más importantes, tienen altos puntos de fusión y ebullición, y eso quiere decir que suelen ser sólidos en condiciones normales. 00:17:26
Yo cuando me los encuentro por ahí, suelen ser sustancias de carácter sólido. 00:17:33
son solubles en agua y en otros líquidos polares por la propia naturaleza de los compuestos iónicos 00:17:37
recordad que lo que tenemos son cationes y aniones sustancias partículas con carga positiva y negativa 00:17:43
unidas entre sí por la acción de la fuerza electrostática 00:17:48
así que parece razonable que dipolos eléctricos sustancias polares puedan disolver los compuestos iónicos 00:17:51
y el agua se caracteriza por ser un compuesto polar por eso hablamos de agua y otros líquidos polares 00:17:58
Hablando de la disolución, uno tiene siempre la sensación de que, pongamos por caso, tengo un vaso con agua, introduzco dentro de ella sal, agito, parece que cuesta que se disuelva. 00:18:05
Si calentara un poco el agua, costaría menos que se disolviera. Y es verdad. Parece que con agua caliente el proceso de disolución se favorece. 00:18:16
Eso quiere decir que la disolución de la sal en agua es un proceso endotérmico. Absorbe energía y entonces, cuando hay energía disponible al calentar el agua, el proceso se favorece. 00:18:24
No podemos extender esto, que parece que mi vida cotidiana dicta, como algo universal. 00:18:36
No todos los solutos disueltos en cualquier disolvente participan de un proceso de disolución endotérmico, 00:18:42
Puesto que hay ocasiones en que al calentar el disolvente, al calentar el sistema, el proceso se entorpece, porque el proceso es exotérmico. Cuidado con este pequeño detalle. 00:18:51
Por otro lado, los compuestos iónicos, tal y como me los encuentro en condiciones normales, en estado sólido, no conducen la electricidad. Haciendo un capié en lo del estado sólido. 00:19:01
A ver, para que haya conducción eléctrica necesito tener partículas cargadas. Bueno, en los compuestos iónicos tengo los cationes y los aniones que conforman la red. Y estas partículas cargadas deben tener movilidad, deben poder moverse. 00:19:11
Y aquí tenemos la pega, y es que en estado sólido los iones están formando redes cristalinas y ocupan posiciones fijas en la red. 00:19:26
Si yo fundiera el compuesto iónico dándole energía, ya tengo los portadores de carga, los iones, móviles. 00:19:35
O bien, si yo tengo el sólido iónico y lo disuelvo en agua o cualquier otro disolvente polar, ya tengo las partículas cargadas con movilidad. 00:19:43
Y en ese caso, ya sea en estado fundido o bien en disolución, los compuestos iónicos ya sí son buenos conductores de la electricidad. 00:19:54
Por otro lado, los compuestos iónicos se caracterizan por tener enlaces fuertes. 00:20:04
Este término de enlace fuerte, enlace débil, es coloquial. 00:20:10
Lo que queremos decir es que la energía de red, la energía que se libera cuando se forman los enlaces, 00:20:13
o bien la energía que yo tendría que dar para romper los enlaces, es muy elevada. 00:20:20
El que los enlaces sean fuertes, el que la energía de red sea elevada, quiere decir que son materiales duros pero frágiles. 00:20:25
Y ojo que esto caracteriza a dos propiedades bien diferenciadas de las sustancias y no estoy contradiciéndome a mí mismo. 00:20:32
Un material duro presenta resistencia a ser rayado, así que si tengo un compuesto iónico y con otro elemento sólido intento rayarlo me va a costar. 00:20:39
La fragilidad se refiere a la capacidad de mantener su estructura frente a pequeñas deformaciones. 00:20:50
Y los compuestos iónicos son frágiles porque si tengo una lámina y le aplico una pequeña deformación, enseguida se va a romper. 00:20:57
Así que, repasando, altos puntos de fusión y ebullición, que quiere decir que son sustancias sólidas en general, en condiciones normales, 00:21:05
solubles en agua y otros líquidos polares, 00:21:14
En estado sólido no conducen la electricidad, pero sí fundidos o bien en disolución. 00:21:17
Y son materiales duros, pero frágiles. 00:21:23
En el aula virtual de la asignatura tenéis disponibles otros recursos, ejercicios y cuestionarios. 00:21:29
Asimismo, tenéis más información en las fuentes bibliográficas y en la web. 00:21:36
No dudéis en traer vuestras dudas e inquietudes a clase o al foro de dudas de la unidad en el aula virtual. 00:21:40
Un saludo y hasta pronto. 00:21:46
Idioma/s:
es
Autor/es:
Raúl Corraliza Nieto
Subido por:
Raúl C.
Licencia:
Reconocimiento - No comercial - Sin obra derivada
Visualizaciones:
109
Fecha:
28 de julio de 2021 - 12:04
Visibilidad:
Público
Centro:
IES ARQUITECTO PEDRO GUMIEL
Duración:
22′ 15″
Relación de aspecto:
1.78:1
Resolución:
1024x576 píxeles
Tamaño:
39.38 MBytes

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