UNIDAD 3 ENLACES ATOMICO MOLECULARES 1. GENERALIDADES. 1.1 ATOMO. Pequeña porción de un elemento simple que conserva las características propias del elemento. ESTRUCTURA DE LOS ATOMOS. • Núcleo. Está constituido por: los protones de carga positiva y los neutrones sin carga. • Corteza. Se encuentran los electrones con carga negativa, girando alrededor del núcleo. Para nuestro caso vamos a adoptar el modelo atómico planetario (Bohr). Fig. 3.1. MODELOS ATOMICOS A TRAVES DEL TIEMPO Fig. 3.2. MODELO ATOMICO DE BHOR TABLA Nº 2.1 MASA Y CARGA ELECTRICA DE LAS PARTICULAS ATOMICAS. MASA CARGA Gramos (UMA) Coulomb PROTON 1.673 x 10 - 24 + 1.602 x 10 – 19 NEUTRON 1.673 x 10 – 24 0 ELECTRON 9.109 x 10 - 28 - 1.602 x 10 – 19 1.2 UNIDAD DE MASA ATOMICA (UMA). Se define exactamente, como un doceavo de la masa de un átomo de Carbono, el cual tiene una masa de 12 UMA. 1.3 MASA ATOMICA RELATIVA. La masa atómica relativa de un elemento, es la masa en gramos de 6,023 x 1023 átomos (Número de Avogadro y Ampere) del elemento. La masa de los elementos los encontramos en la Tabla periódica. Ejemplo. 1 Mol Gramo de Fierro tiene: 55,9332 gr. de peso y contiene 6,023 x 10 23 átomos de Fierro. PROBLEMA. Un alambre de soldadura para circuitos electrónicos tiene un diámetro de 2.5 mm de diámetro y 150 mm de longitud y está constituido por 70 % de estaño y 30 % de plomo, con densidad de 8,16 g/cm3. Se desea saber la cantidad de átomos de estaño y plomo que contiene el alambre; si se sabe una mol de cada componente contiene 6.023 x 1023 átomos, además se conoce que M.A. Sn = 118,71 g/mol, M.A. Pb=207,2 g/mol. PROBLEMA. El revestimiento de una moneda de 50 céntimos, tiene una aleación de 65 % en peso de aluminio y 35 % en peso de níquel. ¿ Cuáles son los porcentajes atómicos de Ni y Al contenidos en este material? • Masa atómica del Al = 26,9815 g/mol • Masa atómica del Ni = 58,6900 g/mol SOLUCION. Asumimos una un peso de aleación 100 g. WAl = 65 g WNi = 35 g • Empleando el N° de Avogadro y Ampere = 6,023 x 10 • Para el Al: 6,023 x 10 23 átomos/mol. 23 átomos/mol. 26,9815 g/mol 65 g X X atm Al. = 14,5 10 23 átomos. • Para el Ni: 6,023 x 10 23 átomos/mol. 58,69 g/mol Y 35 g Y atm Ni. = 3,59 10 23 átomos. • Suma total (14,5 +3,59) x 10 23 átomos.= 18,1x 10 23 átomos. • % atómico Al = (14,5 / 18,1) x 100 = 80,17% • % atómico Ni = (3,59 / 18,1) x 100 = 19,83% PROBLEMA. Un alambre de aleación, utilizado en una prótesis dental contiene 70% Co y 30% Cr, tiene una longitud de 15 cm y un diámetro de 2 mm, la densidad de la aleación es 8,485 g/cm3, se desea saber lo siguiente: a) ¿Cuántos gramos de cada elemento contiene el alambre a usar? b) ¿Cuántos átomos de Co y Cr contiene el alambre a usar? (M.A. Co = 58,9332 gr/mol, M.A. Cr = 51,996 gr/mol). c) Determine la fracción molar de cada elemento de la aleación. SOLUCION. DATOS: Aleación 70% Co y 30% Cr, = 8,485 g/cm3 l = 15 cm, = 2 mm= 0,2 cm. a) Peso de cada elemento en el alambre. (l = 15 cm, = 0,2 cm) 𝑊𝑎𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 = . 2 .𝑙.𝜌 4 𝑊𝑎𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 = . 0.22 .15.8,485 4 = 3.99 = 4 g. WCo = 4x 0,7 = 2,8 g. WCr = 4 x 0,3 = 1,2 g. b) Átomos de Co y Cr que contiene el alambre.(M.A. Co = 58,933 g/mol, M.A. Cr = 51,996 g/mol). Sabemos que: 6,023 x 1023 átomos Co ……58,933 g/mol X …… 2,8 g N° atm. Co = 2.861x1022 átomos Co. Sabemos que: 6,023 x 1023 átomos Cr ……51,996 g/mol X …… 1,2 g N° atm. Cr = 1,39x1022 átomos Cr. c) Fracción molar de Co y Cr. (M.A. Co = 58,9332 gr/mol, M.A. Cr = 51,996 gr/mol). 𝑁𝑚𝑜𝑙𝐶𝑜 = 𝑁𝑚𝑜𝑙𝐶𝑜 = 𝑁𝑚𝑜𝑙𝐶𝑟 = 𝑊𝐶𝑜 𝑀.𝐴.𝐶𝑜 2.8 = 0,0475 58,9332 1,2 = 0,023 51,996 ________ moles total= 0,0706 • 𝑓. 𝑀𝐶𝑜 = • 𝑓. 𝑀𝐶𝑟 = 𝑁𝑚𝑜𝑙𝐶𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑚𝑜𝑙𝐶𝑟 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 0,0475 𝑓. 𝑀𝐶𝑜 = 0,0706 = 0,6728 0,023 𝑓. 𝑀𝐶𝑟 = 0,0706 = 0,327 PROBLEMA. Un alambre de cobre tiene 0,40 mm de diámetro y 12 cm de largo ¿Cuántos átomos tiene? (densidad del cobre : 8.92 gr/cm3 , M.A. Cu = 63,54 gr/mol) SOLUCION. •Masa de cobre en el alambre. V = Masa ( 0.04 cm ) 2 12 cm = 0,015 cm 3 4 gr Cu = 0,015 cm 3 x 8,92 = 0,1345 gr 3 cm • Número de átomos de Cu. 63,54 gr/mol .............................. 6.023 x 1023 atm./mol 0.1345 gr .............................. X 0.1345 gr 6,023 x 10 23 atm / mol X = 63,54 gr / mol Nº de atm Cu = 1,2 x 10 21 atm = 1,2 x 10 21 atm 1.4. MOLECULA. Es la unión de dos o mas átomos de los elementos simples (iguales o diferentes) que componen la sustancia, mediante las fuerzas de enlazamiento atómico estequiométrico definido (relación fija). La unión de las moléculas, forman a la vez las partículas y la unión de estas los cuerpos. Ejemplo: O2 → molécula de oxígeno (1 elemento simple). H2O → molécula de agua (2 elementos simples). H2SO4 → molécula de acido sulfúrico (3 elementos simples). 2 . ENLACES ATOMICOS Y MOLECULARES. Los átomos en estado enlazado se encuentran en condiciones energéticas más estables (equilibrio) que cuando están libres. Las fuerzas que logran esta condición energética, se llaman fuerzas de enlace. 2.1 TIPOS DE ENLACES ATOMICOS. De acuerdo a la magnitud de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos, estos pueden dividirse en dos grupos: a) Enlaces fuertes o primarios (principales). b) Enlaces débiles o secundarios. 2.2. ENLACES ATOMICOS PRIMARIOS. En este tipo de enlace intervienen grandes fuerzas interatómicas que tratan de mantener unidos a los átomos bajo una determinada forma estructural y pueden ser de las siguientes clases: a) Enlaces iónicos. b) Enlaces covalentes. c) Enlaces metálicos. A. ENLACE MOLECULAR IONICO. Este tipo de enlace se presenta cuando se transfiere un electrón de un átomo a otro, produciendo iones positivos (cationes) y negativos (aniones), donde aparecen grandes fuerzas interatómicas electrostáticas coulumbianas, que mantienen unidos a los átomos. Este enlace es no direccional y es relativamente fuerte, el cual oscila en promedio entre 630 – 3950 kjoule/mol. • Los átomos metálicos tienen gran tendencia a perder electrones y cargarse positivamente (ion +). • Los átomos no metálicos tienen gran tendencia a ganar electrones y cargarse negativamente (ion -). Fig. 3.3. Fuerzas de atracción y repulsión en un par iónico de cargas opuestas Fig. 3.4 Energía de atracción y repulsión en un par iónico de cargas opuestas • Na – e- = Na+ Disminuye su diámetro atómico De 0.192 nm a 0.0095nm • Cl + e- = ClAumenta su diámetro atómico De 0.099 nm a 0.181nm Fig. 3.5 ENLACE IONICO DEL CLORURO DE SODIO Fig. 3.6 REPRESENTACION ESQUEMATICA DEL ENLACE IONICO DEL CLORURO DE SODIO (Na Cl) B. ENLACE MOLECULAR HOMOPOLAR O COVALENTE. El enlace covalente se forma entre dos átomos o más átomos, compartiendo electrones, los cuales presentan pequeñas diferencias de electronegatividad y cuyos elementos están ubicados próximos en la tabla periódica. También se forman en moléculas diatómicas como el F2 , O2 , N2 , Cl2 y en moléculas poliméricas de los hidrocarburos, donde el carbono forma enlaces covalentes. En este tipo de enlace cada átomo contribuye con un electrón a la formación del par, donde dos átomos adyacentes tienen una distribución compartida de electrones de valencia, en los cuales los momentos magnéticos o spin de estos electrones serán de sentido de giro distinto (para mantener el par). El enlace covalente es de naturaleza altamente direccional, cuyos valores oscilan en promedio entre 170 a 880 Kjoule/mol. Los materiales con este tipo de enlace tienen pobre ductilidad y mala conductividad eléctrica y térmica, ejemplo: Diamante, SiC, Si3N4, BN. Fig. 3.7 ENLACE HOMOPOLAR O COVALENTE Fig. 3.8 REPRESENTACION ESQUEMATICA DEL ENLACE COVALENTE EN UNA MOLECULA DE METANO Fig. 3.9 ENLACE COVALENTE COORDINADO O DATIVO (AGUA) C. ENLACE METALICO. Es un enlace, originado por la distribución compartida adireccional de los electrones de valencia, que se extienden a todos los átomos del metal, los cuales están formando una nube de enlace o nube electrónica, en la cual los electrones pueden desplazarse rápidamente a lo largo de todo el material. En este tipo de enlace, se dice que los electrones de valencia están deslocalizados, esto quiere decir, que es igualmente probable que estén, asociados con cualquiera de un gran número de átomos adyacentes. En general a menor número de electrones de valencia por átomo mayor es el carácter metálico del enlace, sin embargo a medida que el número de electrones de valencia aumenta las energías de enlace y puntos de fusión también aumentan. El valor de estos enlaces oscilan entre 85 a 525 Kjoule /mol. Fig. 3.10 ENLACE METALICO Fig. 3.11 ENLACE METALICO 2.3. ENLACES ATOMICOS SECUNDARIOS. Es posible obtener enlazamientos con energías bastante menores sin transferencia o distribución compartida de electrones; a este tipo de enlace se les llama enlace secundario de Vander Waals, con valores que oscilan en promedio entre 4 a 42 kjoule/mol El mecanismo de enlazamiento secundario es algo semejante al iónico, esto es por la atracción de cargas opuestas, pero la diferencia clave es que no se transfieren electrones; la atracción depende de la distribución asimétrica de cargas positivas y negativas dentro de cada unidad atómica, a esta asimetría se llama DIPOLO. Los dipolos pueden ser de dos tipos: a) Inducidos, temporales u oscilantes (varían con el tiempo). Los dipolos oscilantes de átomos cercanos pueden atraerse unos a otros creando enlaces débiles interatómicos no direccionales, como por ejemplo en el Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. b) Permanentes (permanecen en el tiempo). Su presencia es posible entre moléculas con enlaces covalentes, donde pueden establecerse fuerzas de enlaces débiles, como por ejemplo: en los enlaces del diamante, los hidrocarburos como del metano, propano, benceno etc.. Fig. 3.12 ENLACE VANDER WAALS ENTRE DOS ÁTOMOS DE ARGÓN. 3.2.1 INTERACCION ENTRE DIPOLOS. Es posible la interacción entre dipolos. a) Fuerzas de London. Cuando la interacción se produce entre dos dipolos temporales inducidos, como en el tetra cloruro de carbono, los gases nobles. b) Fuerzas de Debye. Si la interacción se produce entre un dipolo inducido y un dipolo permanente, como en las moléculas de agua y el tetra cloruro de carbono. c) Fuerzas de Keeson. Si la interacción se produce entre moléculas dipolares permanentes como en las moléculas de agua, a las cuales se les llama Puente de Hidrógeno. 2.4. ENLACES MIXTOS Los enlaces de átomos o iones, pueden involucrar mas de un tipo de enlace primario o secundario; entre estos podemos mencionar: a) Iónico – Covalente. b) Metálico – Covalente. c) Metálico – Iónico. A) ENLACE MIXTO IONICO – COVALENTE. La mayoría de las moléculas con enlaces covalentes , poseen cierto carácter iónico y viceversa , por lo que cuanto mayor sea la diferencias de electronegatividades de los elementos involucrados en un enlace mixto iónico – covalente , mayor es el grado de carácter iónico del enlace. Muchos compuestos semiconductores tienen enlaces mixtos iónico – covalente. Ejm. el Ga As, Zn S. B) ENLACE MIXTO METALICO - COVALENTE. Se presenta frecuentemente en metales de transición , donde los elevados puntos de fusión, se atribuye a este tipo de enlace mixto (elementos del grupo 4), desde el covalente puro del carbono en el diamante a cierto carácter metálico del Si y Ge y metálico del Sn y Pb. C) ENLACE MIXTO METALICO – IONICO. Algunos compuestos intermetálicos, presentan enlaces mixtos metálico iónico, donde hay una diferencia significativa de electronegatividades entre los elementos que forman el compuesto intermetálico, donde puede haber una significativa transferencia electrónica (enlace iónico en el compuesto). Ejemplo Na Zn13, Fe5 Zn21.
