UNIONES QUÍMICAS - FÓRMULAS DE LEWIS -

Transcripción

1 UNINES QUÍMICAS - FÓRMULAS DE LEWIS - Lic. Lidia Iñigo Una vez conocida la ubicación en la Tabla y las tendencias de los elementos a ceder o a captar electrones, podemos explicarnos cómo y por qué los elementos se unen de determinada manera. 1 Cuáles son los elementos que tienen tendencia a ceder electrones y cómo se hallan ubicados en la Tabla Periódica? 2 Cuáles son los elementos que tienen tendencia a captar electrones y cómo se hallan ubicados en la Tabla Periódica? En el tema Estructura Electrónica de los Átomos vimos, al ver la configuración electrónica de iones, que los elementos, cuando se unen, pierden, ganan o comparten electrones, pero no en cualquier cantidad, sino que lo hacen para llegar a una estructura más estable. Esa estructura más estable en la mayoría de los elementos representativos es la correspondiente a un gas noble. 3 Por qué son tan estables los gases nobles? Como todos los gases nobles, excepto el Helio, tienen 8 electrones en su último nivel de energía (en su CEE); esto llevó a la denominada regla del octeto, o sea que los elementos tienden a completar sus 8 electrones en el último nivel. Como toda regla, tiene sus excepciones (algunas de las cuales veremos como ejemplo). El Hidrógeno al unirse no completa 8 electrones, sino 2. Pero el Hidrógeno no es una excepción a la regla. 4 Por qué el hidrógeno no es excepción a la regla del octeto? Tenemos entonces tres posibilidades de unión entre los distintos elementos. Si se unen un elemento con tendencia a ceder electrones (metálico) y un elemento con tendencia a captar electrones (no metal, con alta electronegatividad) con una gran diferencia de electronegatividad entre sí; el metal cederá sus electrones al no metal y se formarán iones, quedando el metal como catión y el no metal como anión. La atracción electrostática entre los iones de signo contrario forma la UNIÓN IÓNICA. LA UNIÓN IÓNICA se produce cuando se unen un metal y un no metal con suficiente diferencia de electronegatividad entre sí. Se forman iones con cargas eléctricas contrarias y la atracción electrostática entre ellos forma la unión.

2 El ejemplo de unión iónica es el cloruro de sodio. El sodio que se encuentra en el grupo I A, tiene mucha tendencia a ceder ese último electrón porque al hacerlo se queda con la CE del gas noble anterior. El cloro necesita ganar un electrón para llegar a la CE de gas noble. El sodio cede su electrón al cloro y los dos completan su octeto. La representación de esto en una estructura o fórmula es lo que se llama fórmula o estructura de Lewis. Si se unen dos elementos metálicos (o átomos del mismo elemento, que es el caso más usual), con tendencia a ceder electrones y baja electronegatividad; como esos últimos electrones están muy débilmente unidos lo que se produce es una red tridimensional de cationes entre los cuales pueden moverse libremente los electrones. Esa es la UNIÓN METÁLICA, que tiene características particulares que luego veremos. LA UNIÓN METÁLICA se produce en general entre los átomos de un mismo elemento metálico, que tiene baja electronegatividad, como en el hierro, el cobre o el aluminio. La unión metálica no tiene representación en una estructura de Lewis. Por último, si se unen dos elementos con tendencia a captar electrones (de alta electronegatividad y poca diferencia de electronegatividad entre sí), como los dos quieren quedarse con los electrones, ya que necesitan captar electrones para completar su octeto, terminan compartiéndolos. Ésta es la UNIÓN CVALENTE. LA UNIÓN CVALENTE se produce entre no metales, elementos con alta electronegatividad y poca diferencia de electronegatividad entre sí. Es covalente la unión existente en la molécula de cloro, donde como ambos átomos necesitan un electrón más para completar su octeto, comparten un par de electrones, eso es lo que se denomina una unión covalente simple.

3 En el caso del cloro, los dos átomos que se unen son del mismo elemento, y por lo tanto tendrán la misma electronegatividad. El par electrónico que se comparte está igualmente compartido, eso es lo que se denomina una unión covalente pura o no polar. Pero la unión covalente también puede darse entre elementos que tengan diferente electronegatividad, como por ejemplo el cloruro de hidrógeno. δ δ + En este caso el cloro es más electronegativo y el par electrónico que se comparte no está igualmente compartido, sino que se encontrará (en promedio) más cerca del cloro que del hidrógeno. Esto es lo que se denomina una unión covalente polar. En estos casos hay una separación de carga, pero no la suficiente como para que la unión sea iónica. Se dice que hay una fracción o densidad de carga negativa del lado del cloro y una fracción o densidad de carga positiva del lado del hidrógeno y se forma lo que se denomina un dipolo. LA UNIÓN CVALENTE ES PURA N PLAR cuando no hay diferencia de electronegatividad entre los átomos unidos. LA UNIÓN CVALENTE ES PLAR cuando existe una diferencia de electronegatividad entre los átomos unidos. Si tenemos en cuenta esto, desde un extremo, que es la unión covalente pura, si vamos aumentando la diferencia de electronegatividad entre los elementos que se unen podremos llegar hasta el otro extremo que es la unión iónica. Entonces surge la pregunta: dónde está el límite? hasta dónde seguimos diciendo que la unión es covalente y dónde comenzamos a decir que la unión es iónica? La respuesta es que ese límite no está rígidamente definido. De hecho hay diferencias de apreciación entre diferentes autores. Pero la diferencia de electronegatividad es un parámetro que ayuda mucho a determinar si una unión es covalente o iónica y, por lo tanto, si un compuesto es covalente o iónico. Nosotros vamos a tomar como límite una diferencia de electronegatividad de 2, si es menor diremos que es covalente; y si es 2 o mayor, que es iónica. 5 Por qué necesitamos saber si una unión es iónica o covalente? Hablamos de la diferencia de electronegatividad. Muchas Tablas Periódicas traen el dato de electronegatividad. Las electronegatividades que aparecen en la Tabla Periódica de la guía de ejercitación corresponden a Linus Pauling ( ). Esos valores son empíricos, son valores relativos obtenidos dando un valor arbitrario al elemento más electronegativo que es el flúor. 6 Por qué quedan fuera de la tabla de electronegatividades los gases nobles? Uno de los errores comunes entre los alumnos es creer que las cosas son de una manera u otra, y que no existen matices intermedios. Entonces memorizan entre metal y no metal la unión es iónica. Esto no es siempre verdadero. La unión iónica siempre se va a dar entre un metal y un no metal, pero entre un metal y un no metal que tengan suficiente diferencia de

4 electronegatividad entre sí. Vamos a ver ejemplos de uniones entre metal y no metal que son covalentes. Es importante que tengas en cuenta que ese límite de diferencia de electronegatividad no es una cosa tajante, y además que la diferencia de electronegatividad no es lo único que hace que un compuesto sea iónico o covalente. Por eso cuando esa diferencia está cerca del límite hay que tener cierto cuidado. Por ejemplo entre el berilio, un metal del grupo II A, y el cloro, un halógeno, uno diría a priori que la unión es iónica. Si uno mira la diferencia de electronegatividad en la Tabla, es 1,5 y se trata de un compuesto covalente. Si tomamos el azufre y el sodio, su diferencia de electronegatividad es 1,6, sin embargo es un compuesto iónico a pesar de que la diferencia de electronegatividad es casi la misma. Si nos fijamos en los radios atómicos podemos encontrar una explicación: para el cloro el radio es 100 pm (picometros, 1pm = m), para el berilio 112 pm, para el azufre 103 pm y para el sodio 186 pm. 7 Podrías dar esa explicación? Existen distintos tipos de uniones covalentes: UNIÓN CVALENTE SIMPLE cuando se comparte un solo par de electrones (cada átomo aporta un electrón). Es el caso visto en el cloro o en el cloruro de hidrógeno. UNIÓN CVALENTE DBLE cuando se comparten dos pares de electrones entre los mismos átomos, es el caso del dióxido de carbono. UNIÓN CVALENTE TRIPLE cuando se comparten tres pares de electrones entre los mismos átomos, es el caso del nitrógeno. UNIÓN CVALENTE DATIVA CRDINADA cuando el par que se comparte es aportado por uno solo de los átomos que se unen, es el caso del dióxido de azufre. Tendrás que poder escribir las fórmulas de Lewis de muy diversos compuestos. Debés notar que en las estructuras de Lewis los electrones que se representan son los electrones de valencia, los del último nivel, o sea, los de la CEE.

5 8 Quién nos dice cuántos electrones se deben poner a un elemento determinado en una estructura de Lewis? Tenés que notar también que en las fórmulas de Lewis representamos de manera diferente a los electrones de los distintos átomos (círculos, cruces, etc.). Esto no significa que los electrones sean diferentes, todos los electrones son iguales e indistinguibles. Simplemente es un recurso didáctico para comprender cómo es la unión. tra cosa importante es que en las fórmulas de Lewis los electrones siempre se colocan en pares, y los electrones que no forman uniones siempre están formando pares, por eso hablamos de pares de electrones compartidos (cuando forman una unión) y pares de electrones sin compartir o libres (cuando no están formando unión). Para armar las fórmulas de Lewis de compuestos sencillos tenés que tener en cuenta que en la gran mayoría de los compuestos se cumple la regla del octeto. Un elemento entonces perderá, ganará o compartirá los electrones que le falten para completar su nivel de energía y llegar a la CE de gas noble. El grupo I A siempre se unirá perdiendo un electrón (unión iónica), o formará una unión metálica, pero no forman uniones covalentes. El grupo III A en uniones iónicas pierde tres electrones y en uniones covalentes (B y Al) comparte tres pares de electrones, siendo una excepción a la regla del octeto. El grupo IV A, el caso del carbono por ejemplo, deberá compartir cuatro pares de electrones, que pueden ser cuatro uniones simples, dos simples y una doble, dos dobles o una simple y una triple. El carbono no forma uniones iónicas, sí lo hacen los metales del grupo como el estaño y el plomo. 9 Podés completar este razonamiento para los demás grupos de los elementos representativos? Si consideramos cuántos pares de electrones debe compartir cada elemento y la regla del octeto, se pueden armar muchas fórmulas de Lewis de compuestos sencillos, aunque cuando aumenta el número de átomos ya no hay una sola posibilidad de unión respetando la regla del octeto. Volviendo al ejemplo del dióxido de azufre, sabiendo que la molécula no es cíclica, quedan tres posibilidades de unión y las tres respetan la regla del octeto. 10 Podrías hacer las tres posibles fórmulas de Lewis para el S 2? 11 Pero la fórmula correcta es una sola, y la razón está en la naturaleza de la unión covalente dativa. Podés explicarlo? Practicá ahora escribiendo las fórmulas de Lewis de los siguientes compuestos, determinando primero si son iónicos o covalentes. Tené en cuenta que la diferencia de electronegatividad es simplemente la diferencia entre los elementos, siempre positiva (mayor menos menor). Por ejemplo en el Cl 2, no porque tenga dos átomos de cloro tengo que multiplicar la electronegatividad del cloro por dos, es el valor para el oxígeno menos el valor para el cloro. 12 SrF 2

6 13 Cl 2 14 BeCl 2 15 K 2 16 Ca 3 N 2 17 PbCl 4 Todos los compuestos que siguen están formados por elementos no metálicos. En estos casos no es necesario fijarse la diferencia de electronegatividad, siempre las uniones serán covalentes. Además, en todos los casos se cumple la regla del octeto y hay una única manera de unir los átomos respetándola. Escribí sus fórmulas de Lewis: 18 H N 2 H 4 20 C 2 H 4 21 N 2 H 2 22 S 3 23 C 2 H 2 24 CH 2 Cl 2 25 H 2 C 26 HCN Podemos pasar ahora a estructuras de Lewis de compuestos más complicados. En estos casos ya no hay una sola forma de unir los átomos respetando la regla del octeto, y se debe conocer en qué forma se deben unir. Comenzaremos por los óxidos ácidos en los que el no metal tiene número de oxidación impar distinto de uno (si no conocés los nombres consultá el tema

7 Número de xidación y Nomenclatura). Es estos casos, cuya fórmula general es X 2 n en la que X es el no metal, siempre hay un oxígeno en el centro formando puente entre los dos átomos de X y unido a ellos por uniones covalentes simples. Se debe comenzar a hacer la estructura haciendo este paso y luego hay que fijarse si el no metal completó sus ocho electrones. Si no lo hizo, se deben agregar los oxígenos que faltan completando las uniones faltantes, y una vez que el no metal completó su octeto, la única manera de seguir uniendo los oxígenos que faltan es por uniones dativas. Siempre los oxígenos se disponen en forma simétrica. Ejemplo: N 2 5 N N primer paso Como los nitrógenos no completaron sus ocho electrones y les falta compartir dos pares de electrones, y además faltan unir cuatro oxígenos, debemos unir dos oxígenos a cada nitrógeno, pero si hacemos uniones simples los oxígenos no completarían su octeto. Por lo tanto, hacemos una unión doble con un oxígeno a cada nitrógeno y de esa forma todos completan su octeto. Los otros dos oxígenos se unen por uniones dativas uno a cada nitrógeno. N N En el caso de los oxoácidos, su fórmula general es H a NoMet. b. A pesar de la forma en que se escribe la fórmula, hay que recordar que él, o los hidrógenos, nunca están unidos al no metal (que en general tiene atomicidad uno), sino a los oxígenos. El no metal queda en el centro, unido a los oxígenos y algunos de esos oxígenos tendrán unidos hidrógenos. Nuevamente debemos comenzar la estructura de Lewis colocando el no metal, uniendo los oxígenos que estén unidos a hidrógenos por uniones covalentes simples y luego fijarnos si el no metal completó sus ocho electrones; en el caso de no haber completado uniremos los oxígenos hasta completar, y luego si faltan unir más oxígenos, se unirán por uniones dativas. Ejemplo: H 2 C 3 H C H primer paso El carbono no completó el octeto y le falta compartir dos pares de electrones al igual que el oxígeno que falta unir. Entonces dicho oxígeno se debe unir por una unión covalente doble. H C H Los ácidos se denominan de esa manera precisamente porque en solución acuosa pierden sus hidrógenos como protón (el hidrógeno deja su electrón) y forman los aniones

8 correspondientes. Si lo que se quiere hacer es la estructura de Lewis del anión, se deben seguir los mismos pasos, simplemente que en lugar de tener unidos hidrógenos, los oxígenos tendrán un electrón de más, esos electrones darán las cargas negativas correspondientes. 27 Podrías hacer la estructura de Lewis de los aniones correspondientes al ácido carbónico 1) C 3 2 y 2) HC 3? Las oxosales provienen de la neutralización de un hidróxido y un oxoácido (si no conocés los nombres consultá el tema Número de xidación y Nomenclatura), el hidróxido deja el catión del metal y el oxoácido el oxoanión. La unión entre el catión metálico y el anión es iónica. Por lo tanto, cuando se pide la estructura de Lewis de una oxosal se deben disociar (separar) el anión y el catión teniendo en cuenta que la sal es neutra y por lo tanto tiene la misma cantidad de cargas positivas que negativas. Por ejemplo: Fe 2 (C 3 ) 3 se disocia en dos iones Fe 3+ y tres iones C 3 2 (si te cuesta saber como disociar consultá el tema Electrolitos y Disociación Iónica, que forma parte del tema Soluciones Acuosas de Compuestos Iónicos, en la unidad Soluciones; porque es necesario para escribir correctamente la fórmula de Lewis). Luego lo que falta es desarrollar la estructura de Lewis del anión. Por lo tanto la estructura de Lewis completa de la sal sería: 3+ 2 Fe 3 ( C )2 _

9 Respuestas 1 Los elementos con tendencia a ceder electrones son los metales, y se hallan ubicados hacia la izquierda y hacia abajo en la Tabla. Cuanto más a la izquierda y más abajo se ubique un elemento, mayor será su tendencia a ceder electrones. 2 Los elementos con tendencia a captar electrones son los no metales, y se hallan ubicados hacia la derecha y hacia arriba en la Tabla. Cuanto más a la derecha y más arriba se ubique un elemento, mayor será su tendencia a captar electrones. 3 Los gases nobles son tan estables porque tienen su último nivel de energía completo, y por eso son tan poco reactivos y prácticamente no se unen con ningún otro elemento, ni consigo mismos. La molécula de los gases nobles es monoatómica. 4 El Hidrógeno tiene un solo electrón, que se encuentra en el nivel 1. Como el nivel 1 se completa con 2 electrones, al llegar a ese valor llega a la CE del Helio, que es el primer gas noble.

10 5 Necesitamos saberlo para saber si un compuesto va a ser iónico o covalente, pero además para representar en forma correcta su fórmula de Lewis. Notá que la representación en fórmula de Lewis es distinta para una unión iónica y para una covalente, por lo tanto, antes de representarla se debe conocer si la unión es iónica o covalente. 6 Porque la electronegatividad está definida para elementos que se encuentran unidos, y los gases nobles son prácticamente inertes y sus átomos no se unen. Por lo tanto, no se puede definir electronegatividad para los gases nobles. 7 Los radios de los átomos de cloro y de berilio son mucho más parecidos, el átomo de berilio es mucho más chico que el de sodio, por lo tanto, es menos polarizable y será más difícil que ceda su electrón. En cambio los radios del átomo de azufre y el de sodio tienen mucha más diferencia a pesar de la electronegatividad similar. El átomo de sodio es más grande, es más polarizable y cederá su electrón más fácilmente. 8 El grupo o familia a la que pertenece el elemento, ya que el número del grupo en la nomenclatura tradicional coincide con el número de electrones de la CEE para los elementos representativos.

11 9 Grupo II A se une siempre perdiendo dos electrones (iónica), o por unión metálica. El grupo V A en uniones iónicas gana tres electrones y en uniones covalentes comparte 3 pares de electrones. El grupo VI A en uniones iónicas gana dos electrones y en uniones covalentes comparte 2 pares de electrones. El grupo VII A en uniones iónicas gana un electrón y en covalentes comparte un solo par de electrones En la unión covalente dativa, en la cual los electrones que se comparten pertenecen a un solo átomo, el elemento que cede el par compartido es siempre menos electronegativo que el que lo acepta. Esto en general se cumple, salvo en casos excepcionales que no estudiaremos en este curso. En los compuestos más comunes que veremos en este curso, la unión coordinada siempre se da de otro elemento hacia el oxígeno, ya que el único elemento más electronegativo que el oxígeno es el flúor. 12

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15 ) Ión carbonato 2) Ión carbonato ácido