El enlace químico

Facultad de Química
Departamento de Química Inorgánica y Nuclear
Dr. Sigfrido Escalante Tovar
Enlace
Químico
Principios de
Estructura de la Materia
Sigfrido Escalante Tovar
feb-2010
Facultad de Química
Departamento de Química Inorgánica y Nuclear
Dr. Sigfrido Escalante Tovar
El enlace químico
• Es un concepto tan común para los químicos que,
muchas veces, nos olvidamos que es solamente eso,
simplemente un concepto.
• Es un concepto tan útil, tan exitoso que a veces no
pensamos en sus limitaciones.
• Lo hemos aprendido desde los inicios de nuestra
formación que pensamos que toda la química se reduce
a lo que podamos explicar con nuestros paradigmas
sobre el enlace covalente.
• Adicionalmente hemos acumulado durante nuestra
carrera algunos errores de concepto respecto del enlace
químico, veamos algunos:
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¿ENDOTÉRMICO O EXOTÉRMICO?
H2O(l)
H2O(g)
Na+ (g) + Cl- (g)
NaCl(s) EXOTÉRMICO
Mg2+(g) + agua
H2
ENDOTÉRMICO
Mg2+(ac) EXOTÉRMICO
H + H
ENDOTÉRMICO
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¿CIERTO Ó FALSO?
Hay que proporcionar energía
para formar un enlace covalente
FALSO
La condensación de un gas es un
proceso exotérmico
CIERTO
Cuando se rompe un enlace puede
absorberse o desprenderse energía
FALSO
dependiendo del enlace de que se trate
La ruptura de un enlace iónico es un
proceso endotérmico
CIERTO
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Elige la opción que completa correctamente
la oración:
CH2=CH2 + 3O2
2CO2 + 2H2O
La reacción de combustión del etileno es
exotérmica debido a:
•
•
•
•
•
La ruptura del enlace C=C
La ruptura de los enlaces C-H
La ruptura del enlace O=O
Todo lo anterior
La formación de los enlaces C=O y O-H
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Elige la opción que completa correctamente
la oración:
Al enlace O-P en el ATP se le llama fosfato de alta energía porque:
a)
b)
c)
d)
El enlace O-P es particularmente estable.
El enlace O-P es relativamente débil.
La ruptura del enlace libera una importante cantidad de energía.
Se requiere una relativamente pequeña cantidad de energía para romper el
enlace.
•
•
•
•
•
•
•
ayc
byc
Sólo c
Sólo b
byd
No sé
Nunca he oído hablar de ese asunto.
Un ejemplo: el ATP
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http://exban-group.mcgill.ca/index.htm
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Energía de un par iónico
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Energía de enlace
Energía de
punto cero
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Energía y entalpía
X2(g)
2X(g)
Ejemplo:
H2(g)
∆Uel
∆U0
∆U298
∆H298
2H(g)
= 458.1 (kJmol-1)
= 432.0
= 433.21
= 435.93
∆He(T) = ∆Uel +3/2RT
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EAB: energía de enlace y
∆Hdis: entalpía de disociación del enlace
∆Hdis es el cambio de entalpía asociado
en la ruptura de una mol de enlaces
covalentes A-B a una temperatura dada.
Molécula
EA-B (kJmol-1)
H-H
432
F-F
158
Cl-Cl
242
Br-Br
193
I-I
151
H-Cl
438
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U0: energía de red cristalina
• Es la energía que se libera cuando se forma
una mol de cristal iónico a partir de sus iones
en fase gaseosa.
Ay+(g) + Bx-(g)
ANZ + Z − e2  1 
U0 =
1− 
4πε 0 r0  n 
AxBy (s)
U0 < 0
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∆Hhid: entalpía de hidratación
• Es el cambio de entalpía cuando se hidrata
una mol de iones gaseosos en agua líquida.
My+(g) + nH2O
[M(H2O)n] y+ ∆Hr = ∆Hhid
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Hidratación
de
cationes
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∆Hat: entalpía de atomización
• Involucra a la energía necesaria para
producir una mol de átomos gaseosos de
un elemento a partir de éste en
condiciones estándar.
S8(s)
Cl2(g)
8S(g)
∆Hat = 278.8 kJmol-1
2Cl(g) ∆Hat = 121 kJmol-1
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Termodinámica vs Cinética
En ocasiones un proceso termodinámicamente
favorecido no se lleva a cabo porque
cinéticamente no lo está.
C(diamante)
C(grafito)
∆Hf = -3 kJmol-1
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Dependencia
de la energía
potencial con
la distancia
Energía
típica
(kJ mol-1)
Comentarios
1/r
1/r2
250
Entre iones solamente
15
Entre iones y
moléculas polares
permanentes
Dipolodipolo
1/r3
2
Entre moléculas
polares estacionarias
Ion-Dipolo
inducido
1/r4
---
Entre iones y
moléculas no polares.
Tipo de
interacción
Ion-ion
Ion –dipolo
DipoloDipolo
inducido
1/r6
0.3
Entre moléculas
polares y polares
rotantes.
Fuerzas de
dispersión
de London
1/r6
2
Entre todos los tipos
de moléculas.
Largo
alcance
Corto
alcance
La energía de un enlace o puente de hidrógeno A---- H es del orden de 20 kJ mol-1 y se presenta cuando A = N, O ó F
La malla cúbica
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Algunas interacciones
que ocurren simultáneamente
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N N
O
O O
O
O
O
O
O
O
O O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
N N
O
O
O
O
O
O
O
O
N
O
N
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
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Corolario
• La energética y la estructura de los
sistemas están íntimamente relacionadas,
en general, de manera compleja.
• Por lo tanto es necesario una gran
sistematización de la información
experimental.
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¿Qué es un enlace químico?
• IUPAC (2006) ”…hay un enlace químico entre dos átomos o grupos
de átomos en el caso en el que las fuerzas que actúan entre ellos
sean tales que lleven a la formación de un agregado con suficiente
estabilidad para hacer conveniente que los químicos lo consideren
como una especie molecular independiente”
• La definición anterior parece no ser completa pues deja fuera al
enlace iónico al circunscribirse sólo a una especie molecular.
Pareciera referirse solamente al enlace covalente.
• Resulta vaga pues deja al lector la decisión de decidir qué es
suficiente y qué es conveniente.
• Tiene, no obstante, la ventaja de que, a nuestro juicio, podamos
considerar otras asociaciones entre átomos o grupos como las de
puente de hidrógeno o las de van der Waals como enlaces
químicos.
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Átomos en moléculas
contornos de
densidad electrónica
línea de gradiente de
densidad electrónica
Punto crítico
HF
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Trayectorias del gradiente en la densidad
electrónica calculada para el NaCl
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Densidad electrónica experimental en NaCl
Aquí, bien puede
haber un punto
crítico (3,-1)
¿Las líneas de enlace (bond paths)
son enlaces químicos?
¿8 bond paths entre el átomo
de gas noble central y los 8
átomos de carbono del cubano
implican 8 enlaces?
¿20 bond paths entre el átomo de gas
noble central y los 20 átomos de carbono
del dodecahedrano implican entonces 20
enlaces?
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¿60 bond paths entre el átomo
de gas noble central y los 60
átomos de carbono del C60
implican ¡ 60 ! enlaces?
Merino y colaboradores se preguntan:
¿La existencia de una línea de enlace es una condición suficiente que prueba que
dos átomos están conectados por un enlace en el sentido químico de la palabra?
Merino et al; Chem. Eur. J. 2008, 14, 10232 – 10234
¿Las líneas de enlace (bond paths)
son enlaces químicos?
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Richard Bader, el autor de la teoría de Átomos en Moléculas (QTAIM), responde
que todo se debe a una equivocada interpretación de su teoría.
Bader argumenta que una línea de enlace no debe ser interpretada como un enlace.
La presencia de una línea de enlace solamente indica que esos dos átomos están
enlazados pero no por lo que conocemos en química, como un enlace.
Él insiste en que el concepto químico de enlace es muy limitado y no incluye toda
la enorme gama de interacciones asociativas que se pueden observar entre los
átomos o los grupos químicos, como lo son, entre otras, las interacciones de van
der Waals.
Lo anterior pone de manifiesto la necesidad de continuar reflexionando sobre los
modelos paradigmáticos del enlace químico (Lewis y la teoría elemental de orbitales
moleculares) y sobre sus alcances y sus limitaciones.
Bader, R.F.W.J. Phys. Chem. A, 2009 Vol. xxx, No. xx, XXXX
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AMyD
http://depa.fquim.unam.mx/amyd/index.php
[email protected]
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¿Qué sigue?
¿Carbonos hipervalentes?
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¿Nanovehículos?
Yasuhiro Shirai, Jean-François Morin,
Takashi Sasaki, Jason M. Guerrero and
James M. Tour.
Chem. Soc. Rev., 2006, 35, 1043-1055
¿Nanoceldas?
Hasobe T., Fukuzumi S.
J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 1216-1228
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