martes, 3 de mayo de 2022

9. Enlace covalente polar y electronegatividad | 🔗 Enlace químico | Joseleg

 (Ciencias de Joseleg) (Química) (Lenguaje químico) (Enlace químico) (Ejercicios resueltos(Introducción) (Generalidades) (Historia) (Enlace químico fuerte) (Enlace químico débil) (Símbolos de Lewis y el octeto) (Energía reticular) (Enlace covalente y su representación) (Enlace covalente polar) (Diferenciando entre iónico y covalente) (Dibujado estructuras de Lewis) (Estados de oxidación, cargas formales y reales) (Resonancia) (Desviaciones del octeto) (Enlace covalente coordinado) (Enlace metálico) (Teoría del enlace de valencia) (Teoría del orbital molecular) (Efecto del enlace químico en los estados de la materia) (Referencias bibliográficas

 

Cuando dos átomos idénticos se unen, como en Cl2 o H2, los pares de electrones deben compartirse por igual. Cuando dos átomos de lados opuestos de la tabla periódica se unen, como el NaCl, los electrones tienden a permanecer más cerca del elemento con mayor electronegatividad, la unión por lo tanto no es por un puente de electrones llamado enlace covalente, sino por la atracción electrostática de cargas opuestas. Los enlaces que se encuentran en la mayoría de las sustancias se encuentran en algún lugar entre estos extremos, es decir donde los electrones del enlace covalente tenderán a permanecer más tiempo cerca del elemento más electronegativo pero sin que podamos hablar de que se generen propiedades iónicas verdaderas en las sustancias macroscópicas.

La polaridad del enlace es una medida de cuán equitativa o desigualmente se comparten los electrones en cualquier enlace covalente. Un enlace covalente no polar es aquel en el que los electrones se comparten por igual, como en Cl2 y N2. En un enlace covalente polar, uno de los átomos ejerce una mayor atracción por los electrones de enlace que el otro. Si la diferencia en la capacidad relativa para atraer electrones es lo suficientemente grande, se forma un enlace iónico. Tenga muy en cuenta que la noción de enlace covalente o iónico dependerá de las propiedades que exhibe la sustancia macroscópica más que cálculos numéricos que realicemos posteriormente, y aunque los cálculos nos permitirán predecir muchas sustancias, tendremos excepciones.

Electronegatividad

Usamos una cantidad llamada electronegatividad “símbolo chi χ según el libro de oro de la IUPAC” para estimar si un enlace dado es covalente no polar, covalente polar o iónico. La electronegatividad se define como la capacidad de un átomo en una molécula para atraer electrones hacia sí mismo. Cuanto mayor es la electronegatividad de un átomo, mayor es su capacidad para atraer electrones hacia sí mismo. La electronegatividad de un átomo en una molécula está relacionada con la energía de ionización del átomo y la afinidad electrónica, que son propiedades de los átomos aislados. Un átomo con una afinidad electrónica muy negativa y una energía de ionización alta atrae electrones de otros átomos y se resiste a que sus electrones sean atraídos; por lo tanto es altamente electronegativo.

Los valores de electronegatividad se pueden basar en una variedad de propiedades, no solo en la energía de ionización y la afinidad electrónica. El químico estadounidense Linus Pauling (1901–1994) desarrolló la primera y más utilizada escala de electronegatividad, que se basa en datos termoquímicos. Generalmente hay un aumento en la electronegatividad de izquierda a derecha a lo largo de un período, es decir, desde los elementos más metálicos hasta los más no metálicos.

Figura 91. Aumento de la electronegatividad en la tabla periódica empleando la escala Pauling. En la imagen podemos ver claramente que el elemento de mayor electronegatividad es el flúor el elemento de menor electronegatividad es el francio, en consecuencia la diferencia de electronegatividad de fluoruro de francio deberá ser la más alta y por lo tanto la más iónica.

Con algunas excepciones (especialmente en los metales de transición), la electronegatividad disminuye al aumentar el número atómico en un grupo. Esto es lo que esperamos porque sabemos que las energías de ionización disminuyen al aumentar el número atómico en un grupo y las afinidades electrónicas no cambian mucho.

Polaridad de un enlace

Un enlace polar también denominado covalente polar es un tipo de enlace covalente que se encuentra a medio camino entre el enlace covalente perfecto y el enlace iónico perfecto, para estimar la existencia del enlace covalente polar generalmente realizamos la diferencia de electronegatividad es de una pareja de elementos que forman un enlace químico.

Para enlaces entre átomos de un mismo elemento como sucede en las moléculas diatómicas tales como F2, Cl2, H2, o como sucede en estructuras complejas tales como las de los hidrocarburos H3CCH3, la electronegatividad de los dos átomos es igual porque pertenecen al mismo elemento, de allí que la diferencia de electronegatividades será cero, lo cual define al enlace covalente perfecto, en consecuencia entre más cercano a cero o sea la diferencia de electronegatividad es en su valor absoluto, más covalente será el enlace.

Para una sustancia como el fluoruro de litio LiF o el fluoruro de francio FrF, la diferencia de electronegatividad es es muy alta, la mayor diferencia de electronegatividad es la encontramos en el FrF (|Δχ| = 4.0 – 0.7 = 3.3), aunque la diferencia de electronegatividad es de LiF va a ser muy cercana (|Δχ| = 4.0 – 1.0 = 3.0), y en consecuencia entre más cercana sea el valor absoluto de la diferencia de electronegatividad es a 3.3, más iónico será ese enlace.

En HF, el átomo de flúor tiene una electronegatividad mayor que el átomo de hidrógeno, con el resultado de que los electrones se comparten de manera desigual: (|Δχ| = 4.0 – 2.1 = 1.9) el enlace es polar. En general, un enlace covalente polar resulta cuando los átomos difieren en electronegatividad. En HF, el átomo de flúor más electronegativo atrae la densidad de electrones lejos del átomo de hidrógeno menos electronegativo, dejando una carga positiva parcial en el átomo de hidrógeno y una carga negativa parcial en el átomo de flúor. Podemos representar esta distribución de carga parcial empleando la letra griega delta mas el signo de polaridad pertinente como:

En un enlace polar, estos números son menores que las cargas completas de los iones, pero serán lo suficientemente grandes como para generar atracciones y repulsiones en sustancias y afectar a las propiedades físicas de estas. La pregunta ahora es cuál es la frontera entre el iónico y covalente polar, y la respuesta será muy difícil de responder debido a las excepciones, por lo general he visto que la frontera que lo separa se encuentra en el rango de entre 1.7 a 2.1.

Momento dipolar

La diferencia de electronegatividad entre H y F conduce a un enlace covalente polar en la molécula de HF. Como consecuencia, hay una concentración de carga negativa en el átomo de F más electronegativo, dejando al átomo de H menos electronegativo en el extremo positivo de la molécula. Una molécula como HF, en la que los centros de carga positiva y negativa no coinciden, es una molécula polar, que funciona como un pequeño imán. Por lo tanto, describimos tanto los enlaces como las moléculas enteras como polares y no polares. Podemos indicar la polaridad de la molécula de HF de dos maneras:

La polaridad ayuda a determinar muchas propiedades que observamos a nivel macroscópico en el laboratorio y en la vida cotidiana. Las moléculas polares se alinean entre sí, atrayéndose el extremo negativo de una molécula y el extremo positivo de otra. Las moléculas polares también son atraídas por los iones. El extremo negativo de una molécula polar es atraído por un ion positivo y el extremo positivo es atraído por un ion negativo.

Estas interacciones explican muchas propiedades de líquidos, sólidos y soluciones. La separación de carga dentro de las moléculas juega un papel importante en los procesos de conversión de energía como la fotosíntesis.

¿Cómo podemos cuantificar la polaridad de una molécula? Siempre que dos cargas eléctricas de igual magnitud pero de signo contrario están separadas por una distancia, se establece un dipolo. La medida cuantitativa de la magnitud de un dipolo se llama su momento dipolar, denotado con la letra griega mu, μ. Si dos cargas iguales y opuestas Q+ y Q- están separadas por una distancia r, la magnitud del momento dipolar es el producto de Q y r:

Los momentos dipolares se pueden medir experimentalmente y generalmente se expresan en debyes (D), una unidad que equivale a 3.34 x 10-30 C-m (coulomb-metros). Para las moléculas, normalmente medimos la carga en unidades de la carga electrónica elemental 1.60 x 10-19 C, y la distancia en angstroms.

Brown13 química la ciencia central

ejemplo página 312. Calcular la magnitud del momento dipolar debyes (D) para una carga Q yo igual a carga elemental del electrón, y una distancia de 1.00 Armstrong. Los momentos dipolares se pueden medir experimentalmente y generalmente se expresan en debyes (D), una unidad que equivale a 3.34 x 10-30 C-m (coulomb-metros). Para las moléculas, normalmente medimos la carga en unidades de la carga electrónica elemental 1.60 x 10-19 C, y la distancia en angstroms.

muestra 8.5a. La longitud del enlace en la molécula de HCl es de 1.27 Å. Calcule el momento dipolar, en debyes, que resulta si las cargas en los átomos de H y Cl fueran 1+ y 1- respectivamente.

muestra 8.5b. La longitud del enlace en la molécula de HCl es de 1.27 Å. El momento dipolar de HCl(g) medido experimentalmente es 1.08 D. ¿Qué magnitud de carga, en unidades de e, en los átomos de H y Cl conduce a este momento dipolar?

práctica 8.5.1. Calcule el momento dipolar para HF (longitud de enlace 0.917 Aº), suponiendo que el enlace es completamente iónico. (a) 0.917 D, (b) 1.91 D, (c) 2.75 D, (d) 4.39 D, (e) 7.37 D

práctica 8.5.2. El momento dipolar del monofluoruro de cloro, ClF(g), es 0.88 D. La longitud de enlace de la molécula es 1.63 Å. (a) ¿Qué átomo se espera que tenga la carga negativa parcial? (b) ¿Cuál es la carga de ese átomo en unidades de e?

La tabla 8.3 presenta las longitudes de enlace y los momentos dipolares de los haluros de hidrógeno. Observe que a medida que avanzamos de HF a HI, la diferencia de electronegatividad disminuye y la longitud del enlace aumenta. El primer efecto disminuye la cantidad de carga separada y hace que el momento dipolar disminuya de HF a HI, aunque la longitud del enlace aumenta. Cálculos idénticos a los utilizados en el ejercicio de muestra 8.5 muestran que las cargas de los átomos disminuyen de 0.41+ y 0.41- en HF a 0.057+ y 0.057- en HI. Podemos visualizar el grado variable de cambio de carga electrónica en estas sustancias a partir de representaciones generadas por computadora basadas en cálculos de distribución de electrones, como se muestra en la Figura 8.10. Para estas moléculas, el cambio en la diferencia de electronegatividad tiene un mayor efecto sobre el momento dipolar que el cambio en la longitud del enlace.

Figura 94. Separación de carga en los haluros de hidrógeno. En HF, el F fuertemente electronegativo aleja gran parte de la densidad electrónica de H. En HI, el I, al ser mucho menos electronegativo que F, no atrae los electrones compartidos con tanta fuerza y, en consecuencia, hay mucha menos polarización de los electrones.

Antes de dejar esta sección, volvamos a la molécula LiF de la figura anterior. En condiciones estándar, el LiF existe como un sólido iónico con una disposición de átomos análoga a la estructura del cloruro de sodio. Sin embargo, es posible generar moléculas de LiF vaporizando el sólido iónico a alta temperatura. Las moléculas tienen un momento dipolar de 6.28 D y una distancia de enlace de 1.53 Å. A partir de estos valores podemos calcular la carga del litio y el flúor en 0.857+ y 0.857-, respectivamente. Este enlace es extremadamente polar y la presencia de cargas tan grandes favorece fuertemente la formación de una red iónica extendida en la que cada ion de litio está rodeado por iones de fluoruro y viceversa. Pero incluso aquí, las cargas determinadas experimentalmente en los iones todavía no son 1+ y 1-. Esto nos dice que incluso en los compuestos iónicos, todavía hay alguna contribución covalente al enlace.

No hay comentarios:

Publicar un comentario