Química General · Bonding theories
Enlace iónico y energía reticular
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
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Lo que aprenderás
- Classify bonds as nonpolar covalent, polar covalent or ionic from electronegativity differences, and assign partial charges.
- Estimate percent ionic character from a dipole moment and bond length, and explain why ionic character is a continuum.
- Use Coulomb's law to compare ion-pair energies and predict lattice-energy trends from ion charge and size.
- Construct Born–Haber cycles from given data to find a lattice energy, an electron affinity or an enthalpy of formation.
- Explain the melting points, brittleness, conductivity and solubility of ionic compounds from their lattice structure.
Lección gratis
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Enlaces iónicos y covalentes: un continuo
En un enlace covalente dos átomos comparten un par de electrones; en un enlace iónico un átomo ha transferido efectivamente electrones al otro, y el catión y el anión resultantes se mantienen unidos por atracción electrostática. La mayoría de los enlaces reales están en un punto intermedio, y la diferencia de electronegatividad, ΔEN, indica dónde. Una regla práctica habitual en la escala de Pauling: ΔEN menor que 0.4 es covalente no polar, de 0.4 a 2.0 es covalente polar y mayor que 2.0 es mayoritariamente iónico. Estos límites son convenciones, no fronteras nítidas. En un enlace polar, el átomo más electronegativo lleva la carga parcial negativa (δ−): en H–Cl (ΔEN = 3.16 − 2.20 = 0.96) el cloro es δ−, pero en Li–H (ΔEN = 2.20 − 0.98 = 1.22) el hidrógeno es δ−. El cloruro de sodio (representado como sus iones), con ΔEN = 3.16 − 0.93 = 2.23, es un compuesto iónico típico.
Porcentaje de carácter iónico
Si una molécula diatómica fuera totalmente iónica, su momento dipolar sería μ(iónico) = e × d, una carga de electrón (1.602 × 10⁻¹⁹ C) separada por la longitud de enlace. Porcentaje de carácter iónico = μ(medido) ÷ μ(iónico) × 100%. Para HF, μ = 1.82 D y d = 91.7 pm: e × d = 1.602 × 10⁻¹⁹ C × 9.17 × 10⁻¹¹ m = 1.469 × 10⁻²⁹ C·m = 4.40 D (1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m), así que HF es aproximadamente 1.82 ÷ 4.40 = 41% iónico. El porcentaje de carácter iónico aumenta de forma gradual con ΔEN, pero ningún enlace llega al 100%: incluso las moléculas de haluros de metales alcalinos en fase gaseosa tienen dipolos menores que e × d, porque el catión atrae hacia sí la nube electrónica del anión. Esa polarización es más intensa para cationes pequeños y muy cargados y aniones grandes, y por eso el AlCl₃ se comporta en gran medida como una sustancia covalente, mientras que el AlF₃ es un sólido iónico.
Ley de Coulomb
La energía potencial de dos iones es E = kQ₁Q₂/d, donde Q₁ y Q₂ son las cargas de los iones (en unidades de e), d es la distancia entre sus centros y k = 2.31 × 10⁻¹⁹ J·nm. Las cargas opuestas dan una energía negativa: el par es más estable que los iones separados. La energía varía como 1/d, así que duplicar la distancia reduce la energía a la mitad; es la fuerza la que varía como 1/d². Para un par K⁺–Cl⁻ con d = 0.319 nm (138 + 181 pm), E = 2.31 × 10⁻¹⁹ J·nm × (+1)(−1) ÷ 0.319 nm = −7.24 × 10⁻¹⁹ J por par de iones, o −7.24 × 10⁻¹⁹ J × 6.022 × 10²³ mol⁻¹ = −436 kJ/mol. Duplicar ambas cargas multiplica la energía por cuatro, mientras que los radios iónicos cambian d solo de forma moderada, así que la carga suele predominar sobre el tamaño.
Tendencias de la energía reticular
En este tema, la energía reticular es la energía necesaria para separar un mol de un sólido iónico en sus iones gaseosos, por ejemplo NaCl(s) → Na⁺(g) + Cl⁻(g), así que siempre es positiva; algunos libros citan el proceso inverso con signo negativo. La energía reticular aumenta con el producto de las cargas de los iones y disminuye a medida que los iones se hacen más grandes. Primero la carga: el CaO (2+ y 2−, 3401 kJ/mol) tiene casi cinco veces la energía reticular del KCl (1+ y 1−, 715 kJ/mol); el producto de cargas, cuatro veces mayor, explica la mayor parte de esto, y la separación iónica algo menor (240 frente a 319 pm), el resto. Después el tamaño: con las mismas cargas, los iones más pequeños quedan más cerca, así que KF (821) > KCl (715) > KBr (682) > KI (649). La energía reticular de un cristal es mayor que la de un par de iones aislado a la misma distancia, porque cada ion está rodeado por varios vecinos de carga opuesta; las repulsiones de los iones de igual carga más alejados reducen, pero no anulan, esta ganancia.
Ciclos de Born–Haber
Las energías reticulares no se pueden medir directamente, así que se hallan con la ley de Hess. Forma el sólido a partir de sus elementos de dos maneras: directamente (ΔH°f), o en pasos que generan iones gaseosos y luego los dejan condensarse en la red. Para el NaBr: sublima el sodio, Na(s) → Na(g), +107 kJ/mol; ionízalo, Na(g) → Na⁺(g) + e⁻, +496; forma átomos gaseosos de bromo a partir de bromo líquido, ½ Br₂(l) → Br(g), +112; añade un electrón, Br(g) + e⁻ → Br⁻(g), −325 (la afinidad electrónica); luego los iones forman el sólido, liberando la energía reticular U. Como las dos rutas tienen la misma entalpía global, ΔH°f = 107 + 496 + 112 − 325 − U = −361 kJ/mol, así que U = 361 + 107 + 496 + 112 − 325 = 751 kJ/mol. Cuenta todos los átomos: un dihaluro MX₂ necesita IE₁ + IE₂ del metal, la entalpía completa del enlace X–X (dos átomos) y dos afinidades electrónicas. Formar O²⁻ cuesta energía en conjunto (EA₁ ≈ −141, EA₂ ≈ +744 kJ/mol), y la energía reticular mucho mayor de un sólido 2+/2− lo compensa.
Propiedades de los compuestos iónicos
Fundir un sólido iónico significa vencer las atracciones entre cada ion y sus vecinos, así que los compuestos iónicos funden a temperaturas altas (NaCl 801 °C, MgO 2852 °C), y los puntos de fusión siguen en líneas generales la energía reticular. Los cristales iónicos son duros pero frágiles: deslizar una capa una sola posición de ion hace que cargas iguales queden frente a frente, y la repulsión parte el cristal. Los compuestos iónicos sólidos no conducen la electricidad porque los iones están fijos en su sitio; las sales fundidas y las disoluciones acuosas sí conducen porque los iones pueden moverse. Disolver separa los iones (a costa de la energía reticular) y los hidrata (liberando la entalpía de hidratación): ΔH(disolución) = U + ΔH(hidratación). Para el KCl, 717 kJ/mol − 700 kJ/mol = +17 kJ/mol, una disolución ligeramente endotérmica. Que una sal se disuelva depende de ese balance y de la entropía, así que los iones que se empaquetan muy juntos, como Li⁺ con F⁻, suelen dar sales poco solubles.
Lo que conviene recordar
El carácter del enlace va de covalente no polar a iónico de forma continua a medida que ΔEN aumenta, y ningún enlace es 100% iónico. La ley de Coulomb, E = kQ₁Q₂/d, explica la energía reticular: primero el producto de cargas, después el tamaño de los iones. Un ciclo de Born–Haber es la ley de Hess: ΔH°f = sublimación + ionización + atomización + afinidad electrónica − U, contando todos los átomos y todas las cargas. Las energías reticulares grandes explican los puntos de fusión altos, y el movimiento de los iones explica por qué los fundidos y las disoluciones conducen mientras que el sólido no.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Predice el producto 4
Ley de Coulomb y energía de red
- Separar un par iónicoPredice cómo cambia la energía de Coulomb de un par iónico cuando se duplica la distancia entre los iones.
Propiedades de los compuestos iónicos
- ¿Qué sal funde a mayor temperatura?Predice el sólido iónico de mayor punto de fusión a partir de las cargas y los tamaños de los iones.
Enlaces iónicos y covalentes
- ¿Qué extremo del Li–H es negativo?Asigna las cargas parciales en un enlace donde el hidrógeno es el átomo más electronegativo.
Ciclos de Born–Haber
- ¿Por qué no existe el NaCl₂?Usa energías de ionización y energías de red para predecir qué carga catiónica adopta un metal en su cloruro.
Clasificar 5
Ciclos de Born–Haber
- ¿Qué paso libera energía?Clasifica como endotérmicos o exotérmicos los pasos del ciclo de Born–Haber del NaCl que conducen a iones gaseosos.
- ¿Qué ecuación representa la energía de red?Identifica el proceso cuya variación de entalpía es la energía de red de un sólido iónico.
Enlaces iónicos y covalentes
- ¿Qué enlace es covalente polar?Clasifica enlaces como covalentes no polares, covalentes polares o iónicos usando los límites de diferencia de electronegatividad.
- Un enlace sin carácter iónicoReconoce que solo un enlace entre átomos idénticos tiene exactamente cero carácter iónico.
Propiedades de los compuestos iónicos
- ¿Qué muestra conduce la electricidad?Clasifica muestras como conductoras o no conductoras de la electricidad según si contienen iones móviles.
Comparar 6
Ley de Coulomb y energía de red
- Carga frente a tamaño en la energía de redOrdena las energías de red de sales que difieren tanto en la carga como en el tamaño de sus iones.
- Ordena los pares iónicos según la atracción de CoulombOrdena pares iónicos aislados según la energía de Coulomb cuando la carga y la distancia tiran en direcciones opuestas.
- NaCl o KCl: ¿cuál tiene mayor energía de red?Compara las energías de red de dos sales con cargas iguales a partir del tamaño del catión.
- Ordena los haluros de sodio según su energía de redOrdena sales con el mismo catión según su energía de red a partir del tamaño del anión.
Enlaces iónicos y covalentes
- Ordena cloruros metálicos y de carbono según su carácter iónicoOrdena enlaces a un mismo no metal según su carácter iónico a partir de la electronegatividad del otro átomo.
- El enlace más iónico: ¿carga o electronegatividad?Juzga el carácter iónico de un enlace por la diferencia de electronegatividad, no por las cargas de los iones.
Calcular 11
Enlaces iónicos y covalentes
- Diferencia de electronegatividad en un enlace Al–ClCalcula la diferencia de electronegatividad de un enlace metal–no metal y comprueba que puede caer en el intervalo covalente polar.
- Porcentaje de carácter iónico del HClCalcula el porcentaje de carácter iónico a partir de un momento dipolar medido y una longitud de enlace.
Ciclos de Born–Haber
- Energía de red del CaF₂Calcula la energía de red de una sal MX₂, contando dos átomos de halógeno y dos afinidades electrónicas.
- Afinidad electrónica del cloro a partir de un ciclo del KClUsa un ciclo de Born–Haber a la inversa para hallar una afinidad electrónica desconocida.
- Entalpía de formación del LiF a partir de su energía de redCalcula una entalpía de formación recorriendo un ciclo de Born–Haber hacia adelante a partir de una energía de red conocida.
- Energía de red del MgOCalcula la energía de red de un óxido 2+/2− a partir de un ciclo de Born–Haber con dos etapas de ionización y dos de ganancia de electrones.
- Energía reticular del NaCl a partir de un ciclo de Born–HaberCalcula la energía reticular de una sal 1:1 a partir de un ciclo de Born–Haber.
Ley de Coulomb y energía de red
- Energía de Coulomb de un mol de pares Mg²⁺–O²⁻Convierte la energía de Coulomb de un par de iones con cargas dobles en kJ por mol de pares.
- ¿Cuánto más fuerte es la atracción Mg²⁺–O²⁻?Usa la ley de Coulomb para calcular la razón entre dos energías de pares de iones con cargas y distancias distintas.
- Energía de un par de iones Na⁺–Cl⁻Calcula la energía potencial de Coulomb de un solo par de iones con su signo.
Propiedades de los compuestos iónicos
- Entalpía de disolución del NaClCalcula una entalpía de disolución a partir de la energía reticular y la entalpía de hidratación de los iones.
Encuentra el error 3
Enlaces iónicos y covalentes
- ¿Un enlace covalente polar tiene 0% de carácter iónico?Encuentra el error de razonamiento que trata un enlace covalente polar como si no tuviera carácter iónico.
Ley de Coulomb y energía de red
- ¿Más iónico significa mayor energía de red?Diagnostica el error de predecir la energía de red a partir de la diferencia de electronegatividad en lugar de la carga y la distancia.
Ciclos de Born–Haber
- Encuentra el error en un ciclo del Na₂ODiagnostica un error de estequiometría en un cálculo de Born–Haber para un compuesto M₂X.
Interpreta la evidencia 2
Propiedades de los compuestos iónicos
- ¿Cuál sólido desconocido es iónico?Interpreta datos de punto de fusión y conductividad para identificar un sólido iónico entre otros tipos de sólidos.
Ley de Coulomb y energía de red
- Interpretar las energías de red de sales isoelectrónicasInterpreta datos de energía de red de sales isoelectrónicas para separar el efecto de la carga del de la distancia.
Trabaja hacia atrás 1
- ¿Qué compuesto describe este ciclo?Trabaja hacia atrás desde los pasos de un ciclo de Born–Haber hasta el compuesto iónico que describe.
Planea una síntesis 1
- Elegir el revestimiento de un hornoElige un sólido iónico para una aplicación a alta temperatura a partir de su energía reticular y su punto de fusión.
Explica por qué 7
Enlaces iónicos y covalentes
- Por qué el AlF₃ y el AlCl₃ se comportan de forma tan distintaExplica cómo el poder polarizante del catión y el tamaño del anión le confieren un carácter covalente apreciable a un halogenuro metálico.
- ¿Algún enlace es 100% iónico?Explica por qué el porcentaje de carácter iónico varía de forma continua y nunca llega al 100%.
Propiedades de los compuestos iónicos
- ¿Por qué se fractura un cristal de sal?Explica la fragilidad de los cristales iónicos a partir de la disposición de las cargas en la red.
- ¿Por qué el LiF es casi insoluble?Explica una diferencia de solubilidad entre dos sales a partir del balance entre energía de red y hidratación.
- Dos cloruros separados por 900 °CExplica por qué un sólido iónico funde a una temperatura mucho mayor que un sólido molecular con un enlace covalente polar.
Ley de Coulomb y energía de red
- Por qué la red supera al par iónicoExplica por qué la energía de red de un cristal supera la energía de Coulomb de pares iónicos aislados a la misma distancia.
Ciclos de Born–Haber
- ¿Por qué los óxidos contienen O²⁻?Explica por qué el ion óxido existe en sólidos iónicos aunque añadir un segundo electrón al oxígeno sea endotérmico.
¿Atascado con enlace iónico y energía reticular? Escanea el problema.
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