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4 Enlace iónico y metálico ACTIVIDADES 1.

Determina el número de átomos por unidad cristalina en en una red cúbica centrada en las caras. En una red cúbica centrada en las caras, cada ion se rodea de seis iones de signo contrario. Para mantener la neutralidad eléctrica, el índice de coordinación tanto para el anión como para el catión tiene que ser (6 : 6).

Se debe contabilizar la aportación de los aniones y de los cationes por separado. Para el cloro: existen ocho átomos en los vértices del cubo, pero cada uno pertenece a ocho cubos a su vez; por tanto, de ese átomo corresponde 1/8 del volumen a cada unidad. En las caras se tienen seis átomos, y cada uno pertenece a dos unidades cúbicas; luego a cada uno le pertenece1/8 del volumen de cada átomo. Así:

n. n.ºº áto tomo mos s Cl = 8 ⋅

1 1 + 6 ⋅ = 4 át áto omos mos de Cl / celd elda unid unidad ad   8 2

Para el sodio: existe un átomo completo en el centro, y además, en los centros de las aristas hay átomos que 1 1 ⋅ 2 = ). De este tipo se contabilizan 12 átomos de aportan 1/4 (1/8, pero con dos celdillas cada uno, luego 8 4 sodio; luego:

n.º n.º átom átomos os Na = 1 + 12 ⋅

1 4

= 4át 4átom omos os Cl / ce celd lda a unid unidad ad  

En cada estructura básica hay cuatro átomos de cloro por cada cuatro de sodio (proporción de un cloro por cada sodio), lo que concuerda con su fórmula empírica, NaCl.

66 Unidad 4| Enlace iónico y metálico

 

  2.

Dibuja la celda unidad de una sustancia cristalina cristalina AB de índice índice de coordinación (8 : 8). Un índice de coordinación (8 : 8) significa que cada ion se rodea de ocho iones del signo contrario. Esto corresponde con una red cúbica centrada en el cuerpo.

3.

El MgCl2 es una sal utilizada como fuente de magnesio, por ejemplo, en suplementos alimenticios. Razona el valor de la electrovalencia del Mg y el Cl en esta especie. Se trata de una sustancia iónica, ya que se unen un metal (Mg) y un no metal (Cl). El magnesio cederá sus dos electrones de valencia a dos átomos de cloro, adquiriendo así ambos configuraciones de gas noble.  2

+2

Mg: [Ne] 3s  → Mg : [Ne] 2

5

 –

Cl: [Ne] 3s 3 p  → Cl : [Ar] La electrovalencia del magnesio es +2, mientras que la del cloro es –1.

4.

¿Se podría definir la energía de red como la energía necesaria para disgregar un mol de cristal iónico en sus correspondientes iones en estado gaseoso? Sí se podría definir así, ya que la energía ni se crea ni se destruye. Al considerar la reacción inversa, la única diferencia es que la energía, en lugar de absorberse, se desprende. La energía que se desprende al formarse el mismo es igual a la que se requiere para romperlo.

5.

Calcula el valor de la energía intercambiada en el proceso de formación del par iónico catión potasio-anión potasio-anión cloruro. Datos: I 1 (K) = 4,34 eV; A1 (Cl) = –348,3 kJ mol –1; 1 eV = 96,49 kJ mol –1  +

 –

 –1

K(g) → K (g) + 1 e   I 1 = 4,34 eV = 418,77 kJ mol  –

 –

 –1

Cl(g) + 1 e  → Cl (g)  A1 = –348,3 kJ mol

K(g) + Cl(g)

6.

+

→ K

 –

 –1

(g) + Cl (g) ∆H ∆H = I 1 + A1 = 70,5 kJ mol  

Razona cuál o cuáles de los siguientes dibujos dibujos se corresponden con con un cristal iónico previsiblemente estable.

Cuanto más parecido es el tamaño de los iones, más estable es la sustancia iónica. Si uno de los iones es mucho más grande que el otro, existirán fuerzas de repulsión muy intensas debido a que los iones de igual carga están muy próximos. Por ello, son más estables las dos primeras situaciones.

7.

Escribe el ciclo de Born-Haber para la obtención de los cristales iónicos de: a) Óxido de calcio. b) Bromuro de potasio.

Enlace iónico y metálico | Unidad 4 67

 

  a) ∆H f

Ca(s)

+

CaO(s)

1/2 O2(g) ∆H d

∆H s

Ca(g)

+

O(g) U  A1 + A2 

I 1 + I 2  2+

Ca (g)

+

2

O −(g)

∆H f

b)

K(s)

+

1/2 Br 2(l)

KBr(s)

1/2 ∆H v 

∆H s

K(g)

+

1/2 Br 2(g) 1/2 ∆H d 

I 1 

U

Br(g)  A1 +

K (g)

8.

+

Br −(g)

Calcula la energía de red del cloruro de magnesio, MgCl2. Datos: I 1 = 738 kJ mol –1; I 2 = 1451 kJ mol –1;  A = –349 kJ mol –1; H d (Cl 2) = 242 kJ mol –1; H s (Mg) = 150 kJ  –1 mol –1; H ff =   –641,6 kJ mol   Dibujando el ciclo de Born-Haber para el cloruro de magnesio tenemos que la energía total del proceso se calcula según la ecuación siguiente: ∆H f = ∆Hs + I1 + I2 + ∆HD +  2A + U     Despejando la energía reticular:

=∆ U

9.

Hf

−∆ Hs

− − I1

−∆ I2

−

HD   2A

=−

 

−1

2524, 6 kJ mol  

El llamado diamante de los pobres es una forma cristalina cúbica del del óxido de circonio, circonio, ZrO2, que se conoce como zirconita. Explica su gran dureza (8 en la escala de Mohs) en base a su enlace. La dureza es la resistencia que presentan los sólidos a ser rayados, esto es, a separar sus átomos por presión. Los sólidos cristalinos son muy duros, pues la unión entre los iones es de tipo electrostático. Estas uniones son en general muy fuertes y especialmente en el caso de la zirconita pues el circonio presenta carga +4, y el oxígeno, –2 (según la ley de Coulomb, las fuerzas electrostáticas son directamente proporcionales proporcionales a la carga de los iones).

10. Tocar un aparato eléctrico con con las manos mojadas es peligroso, pero con sudor sudor en las manos, todavía más. ¿Podrías explicar este hecho? El agua presenta una pequeña conductividad, ya que está ligeramente ionizada. Si no es agua destilada, tiene además una pequeña proporción de sales disueltas, lo que aumenta ligeramente su conductividad. El sudor se compone, entre otras sustancias, de sales disueltas en mucha mayor proporción que el agua que utilizamos. Los iones en disolución son buenos conductores de la electricidad, ya que permiten el movimiento libre de cargas. Así pues, el sudor es mucho mejor conductor que el agua.

68 Unidad 4| Enlace iónico y metálico

 

  11. En una cazuela con agua fría fría se añade sal para cocinar y se observa que no se disuelve disuelve totalmente. Cuando se va calentando, se disuelve completamente. Explica qué ocurre a nivel microscópico. La solubilidad de las sales en agua depende de la temperatura. Para disolver un sólido iónico debemos vencer unas fuerzas electrostáticas entre iones que se compensan con la energía de solvatación de estos cuando pasan a la disolución. Según la teoría cinética, al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética media de las partículas. Esta agitación permite que las moléculas de agua se muevan con mayor velocidad, por lo que pueden arrancar más eficazmente los iones de la superficie, separando estos de la red. La solvatación de los iones permitirá su estabilidad. La agitación térmica también favorece el movimiento de estos nuevos agregados, que al alejarse del sólido permiten que nuevas moléculas de agua interaccionen con los siguientes iones que ahora se encuentran en la superficie del cristal.  

12. El carbonato de calcio es una oxisal que forma parte de las conchas conchas y los esqueletos de los moluscos. Aun Aun siendo un compuesto iónico, no es soluble en agua, por lo que esos animales no pierden su protección al contacto con esta. Deduce cuál debe ser la relación entre la energía de la red y la de hidratación. Para disolver un cristal, la energía debida a la solvatación de los iones que componen la red por parte de las moléculas de disolvente debe ser mayor en valor absoluto que la energía reticular del cristal formado. En el caso del carbonato de calcio, la energía reticular es mayor que la de hidratación y no se disuelve.

13. Ordena razonadamente, de mayor a menor temperatura de fusión, los los cloruros de los metales alcalinos. Las temperaturas de fusión de las sustancias iónicas aumentan con el valor de la energía reticular; es decir, al aumentar la carga de los iones y al disminuir el tamaño de los mismos. Todos los cloruros de metales alcalinos tienen la misma carga, por lo que se diferenciarán por el tamaño de los cationes. Como en la tabla periódica, el tamaño de los átomos aumenta al descender en el grupo. Así, las temperaturas de fusión de las sustancias siguen el orden: LiCl > NaCl > KCl > RbCl > CsCl > FrCl

14. ¿Por qué la formación de un par iónico iónico aislado en estado gaseos gaseoso o es un proceso energéticamente desfavorable y la formación de ese par en disolución es estable? Porque el balance de la energía asociada al proceso de formación de pares iónicos en estado gaseoso es positivo, luego no son especies estables, pero en disolución esa energía se compensa con la energía de solvatación, resultando un balance negativo y, por tanto, una situación estable energéticamente hablando.

15. Según el modelo modelo del gas de de electrones, ¿por qué los metales metales son a la vez buenos conductores eléctricos y térmicos? Debido a la movilidad de los electrones. Esa capacidad de traslación hace que se muevan fácilmente a través de un conductor cuando se aplica una diferencia de potencial, lo que genera una corriente eléctrica. Además, al moverse los electrones, estos chocan con otras partículas (cationes que forman la red metálica) transmitiéndoles parte o toda su energía cinética, que se transforma en calor.

16. Actividad smSaviadigital.com. smSaviadigital.com. RESUELVE. El oro puro de 24 quilates quilates no es útil en joyería, ya que es es muy blando. Para cambiar sus propiedades se forman aleaciones con otros metales. Elabora un informe sobre los distintos colores que puede presentar el oro y qué metales se han utilizado. El oro blanco se obtiene aleando este metal con plata, paladio o níquel. Generalmente se le da un baño de rodio para aumentar su brillo.

17. La figura representa representa una unidad unidad cristalina de una red metálica metálica de calcio, centrada en las caras. Determina el número de átomos por unidad cristalina. Tendremos que separar los átomos de los vértices y los del centro de las caras. Los átomos de los ocho vértices aportan 1/8 cada uno y los seis situados en el centro de las caras aportan 1/2, así: n.º =

1 8

⋅8 +

1

⋅ 6 = 1+ 3 = 4  

2

Enlace iónico y metálico | Unidad 4 69

 

  18. Si tanto el cloruro de sodio como el oro cristalizan en cubos, ¿qué diferencia diferencia estructural existe entre la situación de las cargas en estos?  En el cristal iónico, la estructura la construyen los iones positivos y negativos fijos en sus posiciones, mientras que en el metálico la estructura se construye solo con los cationes, y los electrones son partículas móviles en la red.

19. La torre Eiffel está está realizada en hierro forjado. ¿Qué deberían deberían haber añadido los constructores al hierro para que hubiese sido de acero? ¿Y para que fuese de acero inoxidable, resistente a la intemperie?  Las aleaciones son disoluciones de dos o más metales; en ellos, las propiedades difieren de las de los materiales que los constituyen. Así, el acero es una combinación con una proporción variable de carbono (entre 0,03 y 2,14 que%). le proporciona mayor dureza y rigidez. Para hacerlo inoxidable se le añade una cantidad de cromo (entre%), 10lo y 12

20. ¿Por qué la conductividad conductividad eléctrica de un metal disminuye disminuye al calentarlo?  Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética y, por tanto, el movimiento de oscilación de las l as partículas (cationes), lo que dificulta el movimiento de traslación libre de los electrones a lo largo de la red.

21. Explica qué sucederá si si se calienta un lingote lingote de oro puro por uno de sus extremos indefinidamente.   Al ser el oro un metal, conduce el calor con facilidad por la agitación térmica. Así, al calentar un extremo del lingote, este aumentará su temperatura, y si se le sigue proporcionando energía, una vez haya alcanzado, todo él, la temperatura de cambio de estado, fundirá.

22. Una de las técnicas más antiguas antiguas para dar forma a metales como el hierro es la forja. ¿ ¿Cuál Cuál de las dos imágenes representa un golpe brusco con un martillo sobre una red metálica? Razona tu respuesta. a)

b)

Es el b. El a se corresponde con una sustancia iónica. Al dar un golpe, quedan enfrentados iones del mismo signo, lo que origina grandes fuerzas repulsivas. Sin embargo, en los metales un desplazamiento de la red no produce grandes cambios, ya que el metal solamente se deforma (caso b).

23. Muchos de los trajes típicos de diferentes diferentes regiones del mundo mundo se confeccionan confeccionan con finísimos hilos de oro. ¿Cómo es posible que se obtengan hilos tan finos como para poder coserlos? El oro, como todos los metales, es dúctil, esto es, se puede estirar en forma de hilos. Esto es posible porque cuando ejercemos una presión sobre el sólido, se desplazan los iones positivos de la estructura, pero siguen encontrando una situación semejante, sin repulsiones.

24. De las siguientes sustancias: I2, Ag/Hg (amalgama), Cu y CaO, indica: a) ¿Cuál tendrá la menor temperatura de fusión? b) ¿Cuál o cuáles cconducen onducen la corriente eléctrica eléctrica en estado sólido? c) ¿Cuáles conducen la corriente elé eléctrica ctrica en estado líquido? a) La de menor temperatura de fusión es el yodo. Al ser una sustancia covalente molecular, para fundirla solo hay que romper fuerzas de Van der Waals, en este caso, de tipo London (muy débiles).

b) Solamente los que poseen enlaces metálicos: Ag/Hg (amalgama) y Cu. c)  Además de los anteriores anteriores metálicos, el CaO (sustancia iónica).

70 Unidad 4| Enlace iónico y metálico

 

 

Enlace iónico. Características 25. Razona si es verdadera o falsa la siguiente afirmación: afirmación: “Las moléculas de cloruro de sodio sodio son solubles solubles en disolventes polares como el agua”. Falso, pues aunque efectivamente el cloruro de sodio es soluble en disolventes polares como el agua, es un compuesto iónico, no forma moléculas. Su estructura es una red tridimensional, no agregados moleculares.

26. Justifica la veracidad o falsedad de la siguiente afirmación: “El enlace cova covalente lente es direccional, ya que existen unas direcciones preferentes para producir el solapamiento de los orbitales. Sin embargo, el enlace iónico no es direccional”. Verdadero. El enlace iónico es una interacción electrostática entre cargas de distinto signo que se propagan por definición en todas las direcciones del espacio, de ahí que no sea direccional.

27. Razona el valor de la electrovalencia de cada uno de los componentes de las siguientes siguientes sustancias iónicas: CaBr 2, KF, BaO, SrS Datos: Z  (Ca)  (Ca) = 20; Z  (Br)  (Br) = 35; Z  (K)  (K) = 19; Z  (F)  (F) = 9; Z  (Ba)  (Ba) = 56; Z  (O)  (O) = 8; Z  (Sr)  (Sr) = 38; Z  (S)  (S) = 16 Basándonos en que en los átomos neutros el número de electrones es igual al número de protones y que Z  es   es el número de protones, establecemos las configuraciones electrónicas de los distintos elementos: 2

2

6

2

6

2

Ca: 1s 2s 2 p 3s 3 p 4s   2

2

6

2

6

2

10

5

Br: 1s 2s 2 p 3s 3 p 4s 3d  4 p   2

2

6

2

6

1

K: 1s 2s 2 p 3s 3 p 4s   F: 1s2 2s2 2 p5  2

2

6

2

6

2

10

6

2

10

6

2

Ba: 1s 2s 2 p 3s 3 p 4s 3d  4 p 5s 4d  5 p 6s   2

2

4

O: 1s 2s 2 p   2

2

6

2

6

2

10

6

2

Sr: 1s 2s 2 p 3s 3 p 4s 3d  4 p 5s   2

2

6

2

4

S: 1s 2s 2 p 3s 3 p   La electrovalencia de los elementos alcalinotérreos Ca, Sr y Ba será +2, ya que al perder dos electrones, el ion respectivo formado adquiere la configuración electrónica cerrada del gas noble más próximo; esto le confiere estabilidad. Por la misma razón, el potasio (metal alcalino) pierde su electrón de la capa de valencia y su electrovalencia es +1. Los halógenos F y Br tienen tendencia a capturar un electrón, y originan aniones monovalentes estables que cumplen la regla del octeto; por tanto, la electrovalencia es –1. Por la misma razón, los anfígenos O y S alcanzan la estabilidad ganando dos electrones y poseen de electrovalencia –2.

28. En las siguientes sustancias sustancias hay un ion que no cumple la regla del octeto. ¿Sabrías decir cuál es? MgF2, PbI2, ZrO2, CsCl 2+

Se trata del ion Pb  en el PbI2. 2

2

6

2

6

2

10

6

2

10

6

2

14

10

2

La configuración electrónica del Pb es 1 s 2s 2 p 3s 3 p 4s 3d  4 p 5s 4d  5 p 6s 4f   5d   6 p . 2+

El catión Pb  proviene del átomo de plomo que ha perdido dos electrones del subnivel 6 p, por lo que no posee ocho electrones en su capa de valencia y no cumple la regla de Kossel.

29. Los átomos A y B tienen la lass siguientes configuraciones electrónicas: electrónicas: 1s2 2 s2 2 p6 3 s2 y 1s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p4, respectivamente. a) El compuesto que se formará entre A y B, ¿es iónico o covalente? b) ¿Cuál es la fórmula más sencilla del comp compuesto uesto formado al unirse A y B? a) El elemento A es un compuesto metálico del grupo 2 (que tiene una electrovalencia de +2) y el B es un no metal del grupo 16 (electrovalencia -2). Al enfrentarse metal y no metal se formará un enlace iónico.

b) Se formará el compuesto AB. Por las configuraciones electrónicas de ambos átomos, se sabe que A es el alcalinotérreo del período 3; se trata del magnesio, y B, el anfígeno del período 3; se trata, por tanto, del azufre. El compuesto formado es el sulfuro de magnesio, MgS.

Enlace iónico y metálico | Unidad 4 71

 

  30. Representa mediante estructuras estructuras de Lewis el proceso de formación formación del compuesto iónico nitruro de litio, Li3N. Datos: Z  (Li)  (Li) = 3, Z  (N)  (N) = 7  A través de las configuraciones configuraciones electrónicas de ambos átomos se d deduce educe su electrovalencia electrovalencia:: 2

1

2

2

Li: 1s 2s   3

N: 1s 2s 2 p   Efectivamente, según muestra la fórmula, para que exista neutralidad eléctrica, se necesitan tres átomos de litio (electrovalencia +1) por cada átomo de nitrógeno (electrovalencia −3).

31. El aditivo E251, nitrato de sodio, sodio, es utilizado en la conservación de embutidos y carnes. Se trata de un compuesto iónico. ¿Eso quiere decir que todos los enlaces que se dan en los átomos de la molécula son iónicos? No, entre el anión nitrato y el catión sodio existen enlaces de tipo iónico, pero dentro de la agrupación del ion nitrato los enlaces entre el nitrógeno y el oxígeno son de tipo covalente. 

Redes iónicas 32. El óxido de titanio es utilizado utilizado en la mayoría de las pinturas blancas. Calcula el índice de coordinación del catión y el anión que lo componen. Sabiendo que el índice de coordinación del catión es el número de aniones que rodean a un mismo catión y el índice de coordinación del anión es el número de cationes que lo rodean, para el TiO2 se obtienen los siguientes valores: 4+

IC (Ti ) = 6,

2

IC (O −) = 3

33. Calcula el índice de coordinación para cada ion en el cas caso o de una sustancia sustancia que cristaliza en un sistema cúbico centrado en el cuerpo. Pon un ejemplo de dicha sustancia.  A través del siguiente dibujo, se ve que cada ion se rodea de ocho iones de signo contrario; el índice de coordinación es (8 : 8). Un ejemplo de sustancia que cristaliza de este modo es el cloruro de cesio.

Energía reticular 34. Discute la veracidad veracidad o falsedad falsedad de las siguientes afirmaciones sobre la ene energía rgía reticular. a) Su valor aumenta con la carga del catión y disminuye con la del anión, ya que eesta sta es negativa. b) Cuanto más negativa es la energía reticular de un compuesto, más favorecida se ve la formación del mismo. c) La energía reticular depende depende exclusivamente del sistema de cristalización de la sustancia ió iónica. nica. d) Cuanto mayor sea la energía reticular de un cristal, may mayor or será su temperatura de fusión. e) La energía reticular se mide en kJ.

72 Unidad 4| Enlace iónico y metálico

 

  a) Falso. Aumenta con el valor de la carga del anión y del catión. b) Verdadero. Un compuesto se forma si su entalpía de formación es negativa, y si aplicamos el ciclo de BornHaber a cualquier cristal iónico, se ve que las únicas contribuciones negativas son la afinidad electrónica y la energía reticular. Así, cuanto más negativa sea esta última, más fácil será que la entalpía de formación sea menor que 0.

c) Falso. Además de depender de los radios de los iones que definen la red cristalina, es también función de la carga de los mismos.

d) Verdadero. Cuanto mayor sea en valor absoluto la energía reticular, más estable será el cristal formado y mayores puntos de fusión y ebullición tendrá, ya que se deben romper enlaces iónicos. −1

e) Falso. La unidad en el SI de la energía reticular es J mol . 35. Dos metales A y B del mismo grupo forman forman dos compuestos iónicos AX2 y BX2 con un mismo no metal X formando ambos cristales con el mismo tipo de red. Sabiendo que A es de mayor tamaño y despreciando las repulsiones de las nubes electrónicas, compara la fortaleza del enlace iónico de ambos en base a la ecuación de Born-Landé. Según la ecuación de Born-Landé, el valor absoluto de la energía reticular de un cristal viene dado por: U =

N A K q q′    1 ⋅ A  1−    d n 

Si el anión es el mismo y la carga del catión es la misma, solo se diferenciarán en el la distancia entre iones (radio de anión + radio catión). En este caso dependerá exclusivamente del radio del catión, ya que el del anión es el mismo. El de mayor radio es A, luego su distancia entre iones es mayor, y según la ecuación la U  será   será menor en valor absoluto. Será más fuerte, por tanto, el enlace del compuesto BX2. 

36. Tenemos dos sustancias iónicas A2B3  y CD. La distancia interiónica en ambos cristales es semejante. Deduce cuál de las dos tendrá un punto de fusión mayor en base a la ecuación de Born-Landé (despreciamos las repulsiones de las nubes electrónicas). El punto de fusión y ebullición de los cristales iónicos depende de la fortaleza del enlace, que viene dada por la estabilidad del cristal en función de la energía reticular desprendida al formarse. A mayor energía, mayor estabilidad y mayor punto de fusión. Según la ecuación de Born-Landé, a mayor carga de los iones, i ones, mayor energía reticular y, por tanto, mayor punto de fusión. Por otro lado, es inversamente proporcional a la distancia entre cargas, por lo que a menor radio de los iones, mayor energía reticular. U =

1 N A K q q′    ⋅ A  1−    d n 

Como en ambos sólidos la distancia interiónica es semejante, debemos fijarnos en las cargas de los iones. El primer compuesto tiene de cargas +3 para el catión y −2 para el anión. En el segundo, las cargas son +1 y −1. Por tanto, el primer compuesto tendrá una mayor U  y,  y, con ello, mayor punto de fusión.

37. A partir del esquema del ciclo de Born-Haber para el fluoruro de sodio: a) Nombra y define define las energías implicadas en los diferentes procesos. b) Justifica el signo de esas energías. c) En función del tamaño de los iones, justifica ssii la energía reticular del fluoruro de sodio será mayor o menor, en valor absoluto, que la del cloruro de sodio. a)

∆H ff :  entalpía de formación. Es la energía desprendida en el proceso de formación de un mol de cristal iónico en estado sólido a partir de sus elementos en estado estándar. Al ser una entalpía, el proceso se realiza a presión constante.

I : energía de ionización. Es la energía necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido a un átomo neutro gaseoso y en estado fundamental (en nuestro caso, el sodio), obteniendo un ion mononegativo gaseoso más un electrón sin energía cinética. Existen unas segunda y tercera energías de ionización según el número de electrones eliminados.  A: afinidad electrónica. Es la energía desprendida en el proceso en el que un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental (en este caso el flúor) captura un electrón, transformándose en un ion mononegativo gaseoso. Al igual que la energía de ionización, existen unas segunda, tercera, etc. afinidades electrónicas, pero todos estos son procesos energéticamente desfavorables.

Enlace iónico y metálico | Unidad 4 73

 

  ∆H d:

entalpía de disociación. Es la energía necesaria para romper los enlaces existentes en un mol de sustancia, obteniéndose los átomos por separado. U : energía reticular o de red. Es la energía desprendida en el proceso de formación de un mol de cristal iónico sólido a partir de sus iones en estado gaseoso. ∆H s: entalpía de sublimación. Es la energía absorbida en el proceso en el que un mol de una sustancia del estado sólido pasa directamente al gaseoso. Al ser una entalpía, el proceso se realiza a presión constante y al ser un cambio de estado, la temperatura tampoco varía, ya que la energía absorbida se emplea en romper enlaces y no en aumentar la misma.

Los procesos energéticamente favorables son negativo, aquellos en lospositiva que sesidesprende energía. Según el criterio de b) signos, si la energía se desprende, tiene signo y es es e s absorbida. Tendrán signo negativo: A, U y ∆H f (si el cristal, como en este caso, es más estable que los reactivos). Serán positivas: I, ∆H d, y ∆H s, ya que son procesos que requieren un aporte de energía.

c)

Sabiendo que la energía reticular es directamente proporcional al producto de las cargas de los iones e inversamente proporcional a la distancia interiónica, se tiene que la energía reticular del fluoruro de sodio es mayor que la energía reticular del cloruro de sodio. Esto se debe a que las cargas de los iones son iguales en ambos cristales iónicos (+1, –1); el radio del catión también será el mismo, pero el del ion fluoruro es menor que el del ion cloruro y, por tanto, a menor radio del anión, menor distancia y, en consecuencia, mayor energía reticular.

38. Razona la veracidad veracidad de la siguiente siguiente afirmación: “Si la afinidad electrónica no es capaz de contrarrestar el potencial de ionización, no se formará un cristal iónico”. Falso. La afinidad electrónica no es suficiente, en general, para contrarrestar el potencial de ionización. El cristal se formará si su entalpía de formación es menor que 0, y esto pasará si la energía desprendida ( A y U ) es mayor que la absorbida (I , ∆H s, ∆H d).

39. Aplica el ciclo de Born-Haber para el cálculo de la energía reticular reticular del cristal de NaCl. Compara el valor obtenido con el calculado a través de la ecuación de Born-Landé, sabiendo que para el cristal de cloruro de sodio el factor de Born-Landé ( A  A) es 1,748, la distancia de equilibrio es de 2,81 Å y n = 9. Datos: H s  (Na) = 108,7 kJ mol −1; H f f   (NaCl) = −411 kJ mol−1; I   = 493,7 kJ mol −1;  A  = −349,2 kJ mol−1; −1 H d (Cl2) = 242 kJ mol .  Aplicando el ciclo de Born-Haber Born-Haber tenemos el siguiente gráfico: gráfico: ∆H f

Na(s)

+

NaCl(s)

1/2 Cl2(g)

1/2 ∆H d  ∆H s

Na(g)

+

Cl(g)

U  A 

I  

+

Cl−(g) 1 Según el gráfico: ∆Hf = ∆Hs + I + ∆ Hd  + A + U     2 Na (g)

+

Despejamos U  y  y sustituimos datos: U = ∆H f − ∆Hs − I −

74 Unidad 4| Enlace iónico y metálico

1 2

∆Hd − A = (− 41 411 1 − 108,7 08,7 − 493,7 93,7 − 121+ 34 349 9,2) ,2) kJmo kJmoll−1 = −785 kJmo kJmoll−1  

 

  Calculamos el valor de U  a  a partir de la ecuación de Born-Landé: U=

)(1 1⋅ 1,6 ⋅ 10−19 ) N AK q q ′    ( −1) (1,6 ⋅ 10−19 )( 1 1  ⋅ A  1 −  = (6, 023 ⋅ 1023 )(9 ⋅ 109 ) ⋅ ⋅ 1, 748 ⋅  1 −  −10 d (2, 81⋅ 10 )  n  9  U  = −76 76,73 ,73 ⋅ 104 J mo moll−1 = −76 767 7,3 kJm kJmol ol−1

Los valores son muy parecidos si consideramos que son cálculos teóricos aproximados.

40. Determina la entalpía de sublimación del yodo a partir de los datos siguientes, correspondientes a la formación de PbI2. Datos: H d  (I2) = 144 kJ mol−1; H s  (Pb) = 178 kJ mol −1; H f f   (PbI2) = −178 kJ mol −1; I 1  = 715,5 kJ mol −1; −1 −1 −1 I 2 = 1443,5 kJ mol ; U  = −2108 kJ mol ; A = −295 kJ mol    Aplicando el ciclo de Born-Haber: Born-Haber: ∆H f

Pb(s)

+

PbI2(s)

I2(g)

∆H s

∆H s

Pb(g)

+

I2(g)

I 1

∆H d 

U +

Pb (g)

+

2 I(g)

I 2

2A 

+

Pb (g)

+

2 I−(g)

∆H f = ∆Hs ( Pb ) + I1 + I2 + ∆Hs (I2 ) + ∆Hd (I2 )  + 2A + U    Despejando y sustituyendo valores:

∆Hs (I2 ) = ∆Hf − ∆Hs ( Pb ) − I1 − I2 − ∆Hd (I2 )  − 2A − U =  (−178 −1 7 78 8 − 715, 5 − 1  4 44 43 , 5 − 1 4 44 4 + 590 + 2108) kJ mo mol−1 = 39 kJ m mo ol−1  

41. Calcula la entalpía entalpía de formación formación de una red de fluoruro de litio a través del ciclo ciclo de Born-Haber. Datos: H s  (Li) = 155 kJ mol −1; U   = −1017 kJ mol −1; I   = 520 kJ mol−1;  A  = −328 kJ mol−1; −1 H d (F2) = 151 kJ mol . Li(s)

+

1/2 F2(g)

∆H f

LiF(s)

1/2 ∆H d 

∆H s

Li(g)

+

F(g)

U  A 

I  

+

LI (g)

+

F−(g)

∆Hf = ∆Hs + I +

1 2

  ∆Hd + A + U =  − 594,5 94,5 kJ kJmo moll−1



− 595 kJmo kJmoll−1  

Enlace iónico y metálico | Unidad 4 75

 

 

Propiedades de los sólidos iónicos 42. Entre las siguientes sustancias, sustancias, identifica la que no conduce en estado sólido pero sí fundida: cloruro de bario y cromo. Razona tu respuesta. El cromo es un metal y, como tal, conduce la corriente eléctrica en estado sólido. Los sólidos iónicos no conducen en estado sólido, pero sí fundidos o disueltos, por lo que la sustancia buscada es el cloruro de bario.

43. Indica cuáles de las propiedades propiedades siguientes se corresponden con una sustancia iónica. a) La transmisión de la corriente eléctrica va acompañada acompañada de transporte de materia. b) No es soluble en disolventes apolares, pero pero tampoco en agua. agua. c) A temperatura ambiente ambiente es un sólido duro, pero frágil. d) Se dilata con facilidad. facilidad. e) La electrólisis de sus sales disueltas o fu fundidas ndidas permite la obtención obtención de metales. metales. a) Verdadero, ya que la corriente se transmite por movimiento de los iones. b) Falso. En general, sí son solubles en agua. c) Verdadero, ya que presentan alta resistencia a ser rayados (duros), pero escasa a los golpes (frágiles). d) Falso, ya que supondría debilitar enlaces iónicos. e) Verdadero. El catión captura electrones, obteniéndose el metal. Por tanto, las verdaderas son: a), c) y e).

44. Ordena razonadamente, de mayor a menor temperatura de fusión, los siguientes compuestos: compuestos: BaCl2, MgCl2, SrCl2, CaCl2  La sustancia que posee una alta energía reticular poseerá también un alto punto de fusión. Sabiendo que la energía reticular aumenta con la carga de los iones y con la disminución de la distancia interiónica, observamos que todas las sales poseen la misma carga del catión (+2) y del anión (–1), por lo que la energía reticular  – únicamente será función de la distancia interiónica. Al ser en todas el mismo anión (Cl ), la energía reticular será inversamente proporcional al radio catiónico. Todos son cationes de elementos alcalinotérreos. Al bajar en un mismo grupo, el radio iónico aumenta, por lo que la energía reticular seguirá el orden: MgCl2 > CaCl2 > SrCl2 > BaCl2  En este mismo sentido aumenta el punto de fusión.

45. Busca una posible explicación para la temperatura temperatura de fusión del dicloruro dicloruro de berilio (405 °C), inferior a las de todos los compuestos anteriores.  El dicloruro de berilio tiene un bajo punto de fusión debido a que no es una sustancia iónica, sino covalente. A pesar de unirse un metal (Be) y un no metal (Cl), se forma un enlace covalente.

46. Una sustancia iónica es es tanto más dura cuanto más fuerte sea su enlace, o lo que es igual, igual, su energía reticular. Asigna a los siguientes óxidos de los alcalinotérreos su puesto en la tabla y justifica tu respuesta: BaO, CaO, BeO, SrO, MgO Dureza Compuesto

3,3

3,5

4,5

6,5

9,0

La dureza es la resistencia a ser rayado y aumenta con la energía reticular. A mayor energía reticular, más difícil de rayar, ya que esto supondría la ruptura de enlaces iónicos. La energía reticular es función de la carga de los iones (en este caso es la misma en todos) y de la distancia interiónica (al tener el mismo anión, dependerá solo del tamaño del catión). Así pues, el compuesto de menor radio del catión será el de mayor energía reticular y, por tanto el de mayor dureza. El orden creciente de energía reticular será: BaO < SrO < CaO < MgO < BeO, ya que es en este sentido en el que disminuye la distancia interiónica. Ese es el mismo orden creciente de la dureza, por lo que:

Dureza Compuesto

76 Unidad 4| Enlace iónico y metálico

3,3 BaO

3,5 SrO

4,5 CaO

6,5 MgO

9,0 BeO

 

 

47. Dados los elementos elementos A y B de la tabla periódica, con con números atómicos 35 y 37, respectivamente: respectivamente: a) Escribe sus configuraciones electrónicas. b) Indica a q qué ué grupo y período pertenecen. c) Justifica cuál es el elemento que tiene tiene mayor afinidad electrónica. electrónica. d) Explica el tipo de enlace y deduce la fórmula del compuesto formado entre am ambos. bos. e) El compuesto formado, ¿conducirá la electricidad? ¿En qué condiciones? condiciones? f) ¿En qué tipo de disolventes será soluble? Razona tu respuesta. g) ¿Cómo serán sus temperaturas temperaturas de fusión y ebullición? Razona tu respuesta. h) ¿Será duro? Razona tu respuesta. i) ¿Qué tipo tipo de enlace formará B consigo mismo?  j) ¿Cuál será más conductor, AB o B? a) Las configuraciones electrónicas son: 2

2

6

2

6

2

10

5

2

2

6

2

6

2

10

6

 A: 1s 2s 2 p 3s 3 p 4s 3d  4 p   1

B: 1s 2s 2 p 3s 3 p 4s 3d  4 p 5s  

b) El A pertenece al grupo 17 de los halógenos y al período 4 (es el bromo). El B pertenece al grupo 1 de los metales alcalinos y al período 5 (es el rubidio).

c) La afinidad electrónica crece hacia la izquierda en los períodos y hacia arriba en los grupos del sistema periódico, luego el elemento A, el bromo, tendrá una mayor afinidad electrónica.

d) El elemento A (no metal) y el elemento B (metal) tendrán electronegatividades muy diferentes; por tanto, darán lugar a un enlace iónico. La electrovalencia del elemento A es –1 y la del B es +1, por lo que la fórmula del compuesto formado sería BA (RbBr).

e) Como todos los compuestos iónicos, solo conducirá la electricidad disuelto o fundido porque entonces existirá movilidad de cargas.

f) Será soluble en disolventes polares como el agua, debido a la existencia de interacciones ion-dipolo. g) Tendrá altos puntos de fusión y ebullición, como corresponde a un compuesto iónico. h) Sí, los compuestos iónicos son duros, es decir, difíciles de rayar, porque supondría la ruptura, mediante presión, de algunos enlaces iónicos.

i) Enlace metálico.  j) Será más conductor el elemento B, pues es un metal y, por tanto, en estado sólido posee electrones móviles.  AB es una sustancia iónica, por lo que solo conduce en estado líquido (disuelta o fundida) y siempre conducirá peor que una sustancia metálica.

48. Basándote en los datos de la siguiente tabla, justifica justifica cuáles de las sustancias son sólidos iónicos yy,, de ellas, cuál crees que será más soluble en agua. Compuesto

T f f (ºC)    (ºC)

 Ag MgO P4  GeO2  NaCl

962 2852 44 1115 800

Conductor Sólido Sí No No No No

Líquido Sí Sí No No Sí

Son sólidos iónicos el MgO y el NaCl, ya que poseen altos puntos de fusión y solamente conducen la electricidad en estado líquido. Para averiguar cuál de los dos es más soluble, estudiamos su energía reticular. La solubilidad aumenta cuanto menor es la energía reticular, pues se debe vencer esta energía por parte de la energía de solvatación según: ∆H disolución disolución  =

+

− –U   + + ∆H solv solv (M ) + ∆Hsolv (X ) y se disuelve si: ∆H disolución disolución < 0

Un valor alto de energía reticular desfavorece la disolución y sabemos que depende de la carga de los iones y de la distancia interiónica. En el MgO, la carga tanto del catión como del anión es el doble que q ue la del NaCl. Además, la distancia interiónica es menor también, por lo que es de esperar que el MgO sea menos soluble que el NaCl.

Enlace iónico y metálico | Unidad 4 77

 

 

Enlace metálico. Propiedades 49. Dibuja una red metálica de calcio según la teoría de la nube electrónica. electrónica. Ten en cuenta el número de electrones de valencia. 2+

Los cationes de Ca  forman la estructura y por cada catión habrá dos electrones libres en la nube electrónica.

50. ¿Explica el modelo modelo de la nube electrónica el comportamiento semiconductor de algunas sustancias? No, para explicarlo necesitamos la teoría de bandas.

51. ¿Cómo se denominan las mezclas homogéneas homogéneas de metales? Indic Indicaa qué metales componen componen las siguientes siguientes mezclas: el bronce, el latón y la hojalata. En general son aleaciones (dos metales sólidos). Si es un metal sólido y otro líquido (el mercurio), se denominan amalgamas. Bronce: aleación de cobre y estaño. Latón: aleación de cobre y cinc. Hojalata: aleación de acero (hierro y carbono) y estaño.

52. ¿Por qué el oro es más denso que el cloruro de sodio si ambos cristalizan cristalizan en una estructura cúbica cúbica semejante? En el cristal iónico, la estructura la construyen los iones positivos y negativos, mientras que en el metálico la estructura se construye con los cationes y los electrones, siempre menos voluminosos que cualquier anión, siendo la compactación mayor.

53. ¿Por qué las cazuelas cazuelas y sartenes son metálicas metálicas y sus mangos no? Explícalo según el modelo del gas gas de electrones. Los metales son muy buenos conductores del calor; de ahí que rápidamente calienten su contenido. Al tener electrones móviles, son capaces de transmitir transmitir su energía cinética a la estructura del metal en forma de calor y a los alimentos que entran en contacto con el metal. Para que no suceda lo mismo con la piel en contacto con el metal, los mangos se elaboran de materiales aislantes del calor como plásticos o madera.

54. Relaciona los siguientes usos de los metales metales con una una propiedad que los caracterice. caracterice. a) Cables eléctricos. b) Ollas een n la cocina. c) Pan de oro empleado empleado en esculturas. d) Herramientas de bricolaje. e) Piezas de maquinaria industrial. a) Por ser buen conductor de la electricidad. b) Por ser buen conductor del calor. c) Por ser maleable. d) Por su tenacidad. e) Por su tenacidad, sus altas temperaturas de fusión y ebullición y por ser insolubles (salvo en otros metales). 55. Indica, de las dos afirmaciones siguientes, cuál es la opción opción correcta, y justifica tu elección. a) Si una sustancia conduce conduce la corriente eléctrica, será una sustancia metálica. b) Si una sustancia sólida conduce la corriente eléctrica, eléctrica, será un metal. La b), pues en a) no especifica el estado y los sólidos iónicos fundidos o disueltos conducen. En estado sólido, solo los metales conducen (salvo algunas excepciones como la sustancia covalente carbono en forma de grafito).

78 Unidad 4| Enlace iónico y metálico

 

  56. Casi todos los metales metales tienen un brillo característico. Indica: Indica: a) ¿A qué se se deben estos destellos de luz? b) Si no reluce, ¿por qué qué crees que le pasa pasa esto al metal? c) Al intentar sacarle brillo o aplicar limpiadores, ¿qué le estamos haciendo al metal? a) El brillo típico de los metales se debe a que captan y emiten fácilmente las radiaciones electromagnéticas. b) Tiene una capa en la superficie que le impide absorber y emitir fácilmente las radiaciones; normalmente esa capa es óxido (por ejemplo, en el caso del oscurecimiento de la plata) o se debe al engrase que sufre cuando los tocamos.

c) Eliminamos la capa de óxido con productos químicos o la capa de grasa sacando brillo con un trapo. 57. En la siguiente siguiente tabla se recogen algunas propiedades de ciertas sustancias A y B. Propiedad

A

B

Punto de fusión Conductividad eléctrica de la sustancia pura Solubilidad en CCl4  Solubilidad en agua

Variable

Alto

Sí

En estado fundido

No No

No Sí

Basándote en ellas, clasifica las sustancias según su tipo de enlace y pon un ejemplo de cada tipo de sustancia.  El A es un metal, por ejemplo, cobre, y el B es una sustancia iónica, por ejemplo, el cloruro de sodio.

58. aplastándolas Los artesanos de joyeros oro yhacer platalos a partir pequeños lingotes el grosor formapreparan manual las conláminas rodillos.dePara hilosde depequ los eños anillos pasan según el alambre por agujeros de una hilera y lo van estrechando tirando de un extremo. Explica la facilidad de manipulación de estos metales a partir del modelo de gas de electrones.  El oro y la plata, como todos los metales, son dúctiles, esto es, se pueden estirar en forma de hilos, y maleables, se pueden estirar en forma de láminas. Esto es posible porque cuando ejercemos una presión sobre el sólido, se desplazan los iones positivos de la estructura, pero siguen encontrando una situación semejante, sin repulsiones.

Modelo de bandas 59. Según el modelo de bandas, existen dos tipos de bandas. Indica el nombre de cada una. Explica con pocas palabras qué diferencia existe entre ambas.  Banda de valencia y banda de conducción. La banda de valencia es la última capa completa. La banda de conducción es una banda semillena con movilidad de electrones en ella o bien una banda vacía que solapa con la de valencia y permite la movilidad de los electrones.

60. ¿Cuál de los siguientes esquemas representa un semiconductor? semiconductor? Justifica Justifica tu respuesta. Banda de conducción Zona prohibida Banda de valencia

El último de los esquemas es el del semiconductor, pues la diferencia de energía entre la banda de conducción y de valencia es pequeña, la sustancia puede conducir la corriente eléctrica bajo ciertas condiciones. El primero representa un aislante eléctrico, y el segundo, un conductor.

Enlace iónico y metálico | Unidad 4 79

 

  61. Basándote en si conducen o no la electricidad, ¿qué tres tipos de sustancias conoce conoces? s? Describe su comportamiento según la teoría de bandas y pon un ejemplo de cada una y una aplicación que se derive deri ve de esa propiedad. Conductores, conducen siempre que se les somete a una diferencia de potencial, pues la banda de conducción está semillena, lo que implica movilidad electrónica, o la banda de valencia está llena y se solapa con la banda de conducción. En ambos casos, los electrones tienen espacio para moverse libremente. Por ejemplo, el cobre que se usa para el cableado eléctrico. Semiconductores, conducen a veces, como el germanio (se utiliza en componentes de equipos electrónicos), pues Semiconductores, la anchura de la zona prohibida es relativamente pequeña, y si se aporta la energía necesaria, algunos electrones pueden superar esa barrera y saltar a la banda de conducción.  Aislantes, no conducen nunca. Entre la banda de conducción y la de valencia existe una gran diferencia de energía, y no hay electrones con ese contenido energético capaces de superarla. Un ejemplo son los plásticos, se utilizan como recubrimiento de cables.

62. Razona la veracidad veracidad de esta frase: “Un semiconductor semiconductor tipo P es una sustancia pura”. Falso, es un tipo de semiconductor extrínseco y, por tanto, es una mezcla, pues se obtiene al añadir a un semiconductor trazas de otras sustancias que actúan como impurezas (dopaje o adulteración), en la proporción de 8 1 átomo de impureza por cada 10   átomos de semiconductor. Al ser tipo P, se han agregado impurezas que aceptan electrones.

63. ¿Qué sustancia conseguimos conseguimos si a la hora de elaborar elaborar un material de silicio puro le añadimos añadimos una pequeña pequeña proporción de átomos de aluminio? Un semiconductor extrínseco tipo P, pues el Al podrá formar tres de los cuatro enlaces posibles del Si dejando un hueco por átomo de impureza.

64. ¿Qué materiales pueden provocar la levitación magnética? ¿En qué condiciones? Los superconductores, al bajar su temperatura por debajo de su llamada temperatura crítica, cambian sus propiedades eléctricas y magnéticas.

65. Si tenemos mucho tiempo encendido el el cargador del ordenador y lo tocamos, vemos que se ha calentado. calentado. a) ¿Cómo explicas este hecho? ¿Cómo se llama llama este efecto? b) ¿Qué materiales y en qué condicione condicioness constituyen los únicos casos en los que no se da este hecho? c) ¿Cómo se denomina la característica característica de no sufrir pérdidas energéticas por la resistencia al paso de la corriente? a) Por el rozamiento entre los electrones y cationes del metal. Se denomina efecto Joule. b) Los superconductores, por debajo de una temperatura denominada crítica. c) Poseer resistencia nula. 66. Actividad smSaviadigital.com. RESUELVE.

La química y… las sales en los seres vivos 1.

¿Cómo es posible posible que para prevenir los cálculos se beba m mucha ucha agua y no se pueda eliminar la piedra de esa misma forma?   Antes de formarse el sólido, los iones están en disolución, solvatados. Si bebemos mucha agua, la disolución es muy diluida y los iones están alejados. La energía reticular del carbonato de calcio es muy grande, por lo que una vez formado el sólido, la energía de solvatación de los iones no logra superar a esta y no se podrá disolver el cristal.

2.

Actividad smSaviadigital.com. INVESTIGA.

80 Unidad 4| Enlace iónico y metálico

 

 

 Autoevaluación 1.

Indica el tipo de enlace principal que hay en las 5. siguientes sustancias.

Asigna las siguientes propiedades a sustancias iónicas o metálicas.

a) Nitruro de bario, Ba3N2.

a) Son insolubles en disolventes polares.

b) Potasio, K.

b) Son tenaces.

c) Pentacloruro de fósforo, PCl5.

c) No se dilatan fácilmente.

d) Agua, H2O.

d) Son duras.

a) iónico, b) metálico, c) y d) covalentes

Iónicas: b, c y d Metálicas: a, b y d

2.

Señala cuáles de las siguientes afirmaciones sobre el enlace iónico son verdaderas. a) Las fuerzas de atracción electrostático.

son de

6.

tipo

Señala cuáles de las siguientes afirmaciones sobre los compuestos metálicos son ciertas. a) Si un compuesto conduce la electricidad, es un metal.

b) Los electrones cedidos se mueven por el cristal. c) Existen bandas de conducción.

b) Al ser estructuras cristalinas, se disuelven en disolventes polares, como el agua.

d) No existen moléculas aisladas, sino redes.

c) Son dúctiles.

a y d.

d) Presentan conductividad térmica. a, c y d.

3.

Indica de qué depende la fortaleza del enlace iónico. a) Del tamaño tamaño de los iones. iones.

7.

b) De la carga de los iones.

Ordena las siguientes sustancias por orden creciente de temperaturas de fusión. a) Cloruro de sodio, NaCl.

c) De la forma del cristal. cristal.

b) Cloruro de bario, BaCl2.

d) Del valor de la energía de ionización de los átomos iniciales.

c) Yoduro de sodio, NaI. d) Yodo, I2.

De a y b.

BaCl2 > NaCl > NaI > I 2 4.

Señala cuáles de las siguientes afirmaciones sobre el enlace metálico son verdaderas.  a) Las fuerzas de atracción electrostático.

son de

tipo

8.

El esquema de la derecha representa:

b) Los electrones cedidos se mueven por el cristal. c) Existen bandas de conducción. d) No existen moléculas aisladas, sino redes.  b y c.

a) Un semiconductor intrínseco. b) Una red metálica conductora. c) Un semiconductor extrínseco tipo P. d) Un semiconductor extrínseco tipo N. d

Enlace iónico y metálico | Unidad 4 81