ENLACE QUIMICO (PROPIEDADES FISICAS Y ENLACES EN SÓLIDOS)
PROBLEMAS 1.- ¿Cómo son los puntos de fusión y la solubilidad de sustancias cuya estructura se mantiene por diferentes tipos de enlace? 2.- ¿Cómo es la conductividad de sólidos y disoluciones de sustancias cuya estructura se mantiene por diferentes tipos de enlace? HIPÓTESIS. 1.- Al saber los puntos de fusión y la solubilidad de nuestros compuestos, podremos determinar que tipo de enlace son, comprobaremos según esta hipótesis que de los cuatro compuestos dados, el Cloruro de Sodio será el único que sea soluble, y que de acuerdo a los puntos de fusión, el NaCl sea un compuesto iónico, el ácido esteárico sea Covalente polar al igual que el óxido de Silicio, y que el Hierro tenga un enlace metálico 2.- Al saber experimentalmente la conductividad eléctrica en sólidos y en disoluciones acuosas, podremos determinar que tipo de enlace tienen. El NaCl no conducirá la corriente eléctrica en sólido (puede ser Covalente o iónica) pero si en líquido (Puede ser iónica) por tanto deduciremos que tiene un enlace iónico. El ácido esteárico al tener una corriente eléctrica nula tanto en líquido como en sólido, puede tener un enlace covalente. El óxido de Silicio (SiO 2) al tener una corriente eléctrica nula tanto en líquido como en sólido, puede tener un enlace covalente. Y el Hierro (Fe) Al conducir corriente eléctrica tanto en sólido y probablemente en líquido daremos por hecho que tendrá un enlace metálico. INVESTIGACIÓN PREVIA. Medidas de seguridad 1. Usa lentes de seguridad durante toda la práctica. 2. El ácido esteárico es inocuo, sin embargo, como todas las sustancias, ten cuidado al manipularlo. 3. El ciclohexano es altamente flamable y es tóxico por ingestión, inhalación y se absorbe a través de la piel. No debe emplearse cuando se tiene cerca un mechero encendido u otro tipo de flama. 4. Los dispositivos para medir conductividad eléctrica son fuentes potenciales de toques eléctricos intensos, por lo que deben manipularse con cuidado. 5. Las sustancias volátiles deben ser usadas en una campana. Tipos de Enlace: Enlace iónico: Es la unión de un metal y un no metal, el metal pierde o transfiere sus electrones de valencia convirtiéndose en catión y el no metal acepta los electrones, ambos cumplen con la regla del octeto y la atracción entre las cargas positivas y negativas las mantienen unidas Hay una fuerte atracción electrostática entre iones. Hay transferencia total de electrones entre átomos metálicos y no metálicos de muy distinta atracción para los electrones, o sea, de amplia diferencia en electronegatividad. Sus puntos puntos de ebullición y de fusión son muy elevados. Muy conductores de la corriente eléctrica en estado líquido o en disolución. Son solubles en líquidos polares. Enlace Covalente: Unión de elementos generalmente no metálicos por compartición de electrones, el par de electrones del enlace puede estar a igual o a diferente distancia de los núcleos atómicos. Enlace covalente no polar: Hay una compartición equivalente o desigual de pares de electrones. Hay transferencia parcial de electrones entre átomos de •
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análoga afinidad electrónica o electronegatividad. El enlace entre pocos átomos da lugar a la formación de moléculas. Si todos los átomos del cuerpo están unidos se originan cristales covalentes o atómico. Generalmente se da en sustancias gaseosas o muy volátiles (Ej. Hidrogeno H 2, el oxígeno O2, el cloro Cl2) o en sustancias con puntos de fusión enormemente elevados. Cuerpos muy duros. Insolubles en casi todos los disolventes (Ej. SiC, NAl, SiO 2) Enlace covalente Polar: Los enlaces covalentes polares se forman por unión covalente entre átomos de moderada diferencia en electronegatividad. Este tipo de enlace generalmente se da en sustancias con puntos de fusión y de ebullición bajos pero mayores que los que presentan las sustancias formadas por moléculas no polares de magnitud parecida. Solubles en líquidos polares. Enlace metálico: Es un enlace entre los átomos de los metales, son elementos electropositivos o de muy baja electronegatividad. Los iones positivos se mantienen unidos por los electrones de Valencia que forman enlaces covalentes resonantes entre todos los átomos. Se da en sustancias con puntos de fusión en general y elevados. Son conductores de la corriente eléctrica. Y tienen brillo metálico. Ej. Sodio (Na), Oro (Au) y aleaciones metálicas. Enlace por puente de hidrógeno. Hay una atracción electrostática entre el protón combinado y otro átomo de gran electronegatividad y volumen pequeño. El protón de una molécula atrae hacia él un par de electrones solitarios de un átomo muy electronegativo (C, N, O) de una molécula próxima o a veces de la misma molécula distinto del unido por enlace covalente a él. Se dan en sustancias con punto de fusión y de ebullición mas elevados que los de los cuerpos con moléculas de análoga polaridad pero si posible formación de puentes de hidrógeno. Y en líquidos de alto poder de disociación de los cristales iónicos.
Fuerzas intermoleculares: Son las responsables del comportamiento no ideal de los gases. Las fuerzas intermoleculares son mucho más débiles que las intramoleculares. Así, por ejemplo, se requiere menos energía para evaporar un líquido que para romper los enlaces de las moléculas de dicho líquido.
*Fuerzas de London o de dispersión. Las fuerzas de London se presentan en todas las sustancias moleculares. Son el resultado de la atracción entre los extremos positivo y negativo de dipolos inducidos en moléculas adyacentes. Cuando los electrones de una molécula adquieren momentáneamente una distribución no uniforme, provocan que en una molécula vecina se forme momentáneamente un dipolo inducido. *Atracciones dipolo-dipolo Una molécula es un dipolo cuando existe una distribución asimétrica de los electrones debido a que la molécula está formada por átomos de distinta electronegatividad. Como consecuencia de ello, los electrones se encuentran preferentemente en las proximidades del átomo más electronegativo. Se crean así dos regiones (o polos) en la molécula, una con carga parcial negativa y otra con carga parcial positiva (Figura inferior izquierda). Cuando dos moléculas polares (dipolos) se aproximan, se produce una atracción entre el polo positivo de una de ellas y el negativo de la otra. Esta fuerza de atracción entre dos dipolos es tanto más intensa cuanto mayor es la polarización de dichas moléculas polares o, dicho de otra forma, cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los átomos enlazados (Figura inferior derecha). *FUERZAS IÓN-DIPOLO Son las que se establecen entre un ión y una molécula polar. Por ejemplo, el NaCl se disuelve en agua por la atracción que existe entre los iones Na+ y Cl- y los correspondientes polos con carga opuesta de la molécula de agua. Esta solvatación de los iones es capaz de vencer las fuerzas que los mantienen juntos en el estado sólido (Figura inferior izquierda). La capa de agua de hidratación que se forma en torno a ciertas proteínas y que resulta tan importante para su función también se forma gracias a estas interacciones *FUERZAS IÓN-DIPOLO INDUCIDO Tienen lugar entre un ión y una molécula apolar. La proximidad del ión provoca una distorsión en la nube electrónica de la molécula apolar que convierte (de modo transitorio) en una molécula polarizada. En este momento se produce una atracción entre el ión y la molécula polarizada. Un ejemplo de esta interacción es la interacción entre el ión Fe++ de la hemoglobina y la molécula de O2, que es apolar. Esta interacción es la que permite la unión reversible del O2 a la hemoglobina y el transporte de O2 desde los pulmones hacia los tejidos *FUERZAS DIPOLO INSTANTÁNEO-DIPOLO INDUCIDO También se llaman fuerzas de dispersión o fuerzas de London. En muchos textos, se identifican con las fuerzas de van der Waals, lo que puede generar cierta confusión. Las fuerzas de dispersión son fuerzas atractivas débiles que se establecen fundamentalmente entre sustancias no polares, aunque también están presentes en las sustancias polares. Se deben a las irregularidades que se producen en la nube electrónica de los átomos de las moléculas por efecto de la proximidad mutua. La formación de un dipolo instantáneo en una molécula origina la formación de un dipolo inducido en una molécula vecina de manera que se origina una débil fuerza de atracción entre las dos Estas fuerzas son mayores al aumentar el tamaño y la asimetría de las moléculas. Son mínimas en los gases nobles (He, Ne), algo mayores en los gases diatómicos (H2, N2, O2) y mayores aún en los gases poliatómicos (O3, CO2) *INTERACCIONES HIDROFÓBICAS En un medio acuoso, las moléculas hidrofóbicas tienden a asociarse por el simple hecho de que evitan interaccionar con el agua. Lo hace por razones termodinámicas: las moléculas hidrofóbicas se asocian para inimizar el número de moléculas de agua que puedan estar en contacto con las moléculas hidrofóbicas Este fenómeno se denomina efecto hidrofóbico y es el responsable de que determinados lípidos formen agregados supra moleculares. Son ejemplos de fuerzas hidrofóbicas:
* Las que se establecen entre los fosfolípidos que forman las membranas celulares (forman bicapas) * Las que se establecen en el interior de una micela durante la digestión de los lípidos * Las que hacen que los aminoácidos hidrofóbicos se apiñen en el interior de las proteínas globulares *FUERZAS DE VAN DER WAALS Cuando se encuentran a una distancia moderada, las moléculas se atraen entre sí pero, cuando sus nubes electrónicas empiezan a solaparse, las moléculas se repelen con fuerza (Figura de la derecha). El término "fuerzas de van der Waals" engloba colectivamente a las fuerzas de atracción entre las moléculas. Son fuerzas de atracción débiles que se establecen entre moléculas eléctricamente neutras (tanto polares como no polares), pero son muy numerosas y desempeñan un papel fundamental en multitud de procesos biológicos. Las fuerzas de van der Waals incluyen: * Fuerzas dipolo-dipolo (también llamadas fuerzas de Keesom), entre las que se incluyen los puentes de hidrógeno * Fuerzas dipolo-dipolo inducido (también llamadas fuerzas de Debye) * Fuerzas dipolo instantáneo-dipolo inducido (también llamadas fuerzas de dispersión o fuerzas de London)
DESARROLLO EXPERIMENTAL
RESULTADOS. Tabla 1. Resultados de las pruebas realizadas. Propiedad
NaCl
SiO2
Fe
Medio Bajo Alto
Ácido Esteárico Medio Nula Bajo
Dureza Volatilidad Punto de Fusión Solubilidad en H2O Solubilidad en ciclohexano Conductivida d en sólido Conductivida d en H20 Conductivida d en Ciclohexano
Alta Medio Muy alto
Muy alto Nada Muy alto
Si
No
No
No
No
Si
No
No
No
No
No
Si
Si
No
No
Poca
No
No
No
No
ANALISIS DE RESULTADOS.
CONCLUSION. En esta practica nos pudimos dar cuenta que para cada tipo de enlace existen propiedades que nos hacen identificarlos fácilmente y que cada una de esta propiedades afecta en muchos aspectos químicos de las sustancias como son la solubilidad, el punto de fusión, y el flujo de corriente eléctrica. Y viceversa si sólo sabemos el tipo de enlace, también podemos determinar (aunque de manera un tanto superficial) sus propiedades.
De hecho comprobamos que existen diferentes tipos de enlaces, cada uno de los cuales se da en función de los elementos que se unen formando la materia que conocemos, cada una con características y propiedades. CUESTIONARIO. 1. Investiga las características de los siguientes tipos de enlaces: Iónico, covalente molecular, metálico.
Se denomina enlace iónico al enlace químico de dos o más átomos cuando éstos tienen una diferencia de electronegatividad de 1,7 ó mayor. En una unión de dos átomos por enlace iónico, un electrón abandona el átomo menos electronegativo y pasa a formar parte de la nube electrónica del más electronegativo. Los compuestos iónicos forman redes cristalinas constituidas por iones de carga opuesta unidos por fuerzas electrostáticas. Este tipo de atracción determina las propiedades observadas. Si la atracción electrostática es fuerte, se forman sólidos cristalinos de elevado punto de fusión e insolubles en agua; si la atracción es menor, como en el caso del NaCl, el punto de fusión también es menor y, en general, son solubles en agua e insolubles en líquidos apolares como el benceno. ENLACE IONICO:
Son sustancias cuyas moléculas son no polares, la característica fundamental de este tipo de cristal es que las moléculas están unidas por las denominadas fuerzas de Van der Waals; estas fuerzas son muy débiles y correspondes a fuerzas de dipolos eléctricos. Su conductividad es nula; es decir no son conductores ni del calor y la electricidad y son bastante deformables. METALICO. Es el enlace que se da entre elementos de electronegatividades bajas y muy parecidas, en estos casos ninguno de los átomos tiene más posibilidades que el otro de perder o ganar los electrones. La forma de cumplir la regla de octeto es mediante la compartición de electrones entre muchos átomos. Se crea una nube de electrones que es compartida por todos los núcleos de los átomos que ceden electrones al conjunto. Este tipo de enlace se produce entre elementos poco electronegativos (metales). Los electrones que se comparten se encuentran des localizados entre los átomos que los comparten. COVALENTE MOLECULAR:
2. ¿Es posible obtener alguna información de las fuerzas relativas del enlace iónico y covalente mediante la comparación de los puntos de fusión? Si, ya que el enlace iónico tiene un punto de fusión muy elevado lo cual nos dice que sus moléculas están muy unidas entre si y por lo tanto si su punto de fusión es bajo. 3. Ordena de mayor a menor la dureza que esperas que tenga un sólido formado por cada uno de estos tipos de enlace, y ordena los sólidos que tienes de acuerdo a la dureza que observaste que tipo de enlace asignarías a cada sólido. Dureza esperada. 1.- Enlace metálico 2.- Enlace Iónico 3.- Covalente Molecular Covalente
Dureza Observada Hierro Oxido de Silicio Cloruro de Sodio Ácido Esteárico.
Tipo de enlace Asignado Metálico Covalente Molecular Iónico Covalente
4. Asigna a cada sólido un tipo de enlace con base en los resultados de volatilidad y punto de fusión ¿coincide este orden con el obtenido al analizar su dureza? Tome en cuenta solamente los puntos de ebullición, ya que experimentalmente no presentaron volatilidad los compuestos y el elemento. NaCl Al no ser volátil, y presentar un punto de fusión alto, se le asigna un tipo de enlace iónico, ya que coincide con estas características Ácido esteárico Al no ser volátil, y presentar un punto de fusión Bajo, se le asigna un tipo de enlace Covalente polar. SiO2 Al no ser volátil, y presentar un punto de fusión muy alto, se le asigna un tipo de enlace Covalente Polar. Hierro Al no ser volátil, y presentar un punto de fusión muy alto, se le asigna un tipo de enlace Metálico. 5. Desde los inicios de la química se dice que “semejante disuelve a semejante” Considerando que el agua es un disolvente polar y el ciclohexano es un disolvente no polar, clasifica las interacciones que mantiene a cada uno de los sólidos que empleaste como polares o no polares Enlace Iónico
Enlace Covalente
Enlace Metálico.
Solubilida d
Solubles en Disolventes polares como el agua.
Compuestos Covalentes NO polares: solubles en disolventes no polares. Compuestos Covalentes polares: solubles en disolventes polares.
Insolubles en disolventes no polares. Algunos reaccionan con los ácidos y unos pocos con agua.
6.- Los sólidos iónicos tienen aniones y cationes localizados en sitios regulares formando redes cristalinas. ¿Qué tipo de disolvente (polar o no polar) crees que sea capaz de romper las interacciones que mantienen sus estructuras? ¿Coincide con lo observado en el experimento? En el caso de los enlaces iónicos se necesita un disolvente polar ya que los iones de la superficie de cristal provoca a su alrededor una orientación de moléculas dipolares que enfrentan hacia cada ion sus extremos con carga opuesta a la del mismo. En este proceso de orientación se libera una energía que, si supera a la energía reticular, arranca al ion de la red. Y por lo tanto las moléculas de disolvente alrededor de los iones se comportan como capas protectoras que impiden la reagrupación de los mismos.
7.-Investiga los diferentes tipos de atracciones intermoleculares que mantienen unidas a las moléculas de los sólidos moleculares covalentes y da ejemplos de estas. Hay tres tipos principales de interacciones intermoleculares que hacen que las moléculas se asocien para formar sólidos y líquidos: a) Las fuerzas entre dipolos de las moléculas polares.
b) Las fuerzas de London, que afectan a todas las moléculas.
c) Los puentes de hidrógeno que actúan en moléculas que tienen enlaces OH y NH.
8.- ¿Se requiere más energía para perturbar un cristal de un sólido molecular o de un sólido iónico? ¿Por qué? Se requiere más energía para poder perturbar a un cristal de un sólido molecular ya que la gran estabilidad de estas redes cristalinas se debe a que los átomos que las forman están unidos entre sí mediante enlaces covalentes. 9.- ¿Cómo puedes saber si un sólido cristalino esta formado por moléculas o por iones? Explica. Esta formado por iones si su punto de fusión es alto y normalmente conduce la electricidad. Esta formado por moléculas si su punto de fusión es muy bajo, no conduce la electricidad en ningún caso y sus enlaces son covalentes. 10.- Los sólidos de redes covalentes contienes solamente enlaces covalentes primarios. Este tipo de enlaces de 1, 2, o 3 dimensiones da estructuras muy estables ¿como es el punto de fusión de estos sólidos? Presentan temperaturas de fusión y ebullición muy elevadas. 11.- Los enlaces metálicos se dan por las interacciones entre los electrones de valencia y los “kernels” positivos de los átomos metálicos. Esto da como resultado un enlace no direccional y un conjunto de electrones que no están asociados fuertemente con ningún kernel atómico en particular. ¿Qué características físicas dan estos electrones a los metales? Los metales suelen ser duros y resistentes. Aunque existen ciertas variaciones de uno a otro, en general los metales tienen las siguientes propiedades: dureza o resistencia a ser rayados; resistencia longitudinal o resistencia a la rotura; elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir deformación; maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo; resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión continuadas y ductilidad o posibilidad de deformarse sin sufrir roturas.