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Actividad Flipped Classroom 1. Partículas atómicas-Enlaces químcios Esta actividad consiste en 2 secciones, la primera corresponde a las partículas atómicas y la segunda a los enlaces químicos. Sigue las instrucciones de cada una. Sección I. Partículas atómicas Instrucciones: Esta sección está comprendida de 6 partes, las cuatro primeras, corresponden a un resumen de conceptos básicos de química, la quinta a un glosario y la última parte, son preguntas de todos los conceptos resumidos. En cada resumen, se requiere de contestar los ejercicios indicados antes de pasar al siguiente, para asegurar que se han comprendido los conceptos. Las respuesta a estos ejercicios se encuntran al final del resumen. Es importante seguir el orden y no saltarse alguna sección, de lo contrario, la parte final de ejercicios integradores pudiera parecer complicada. 1. Lea cuidosamente el primer resumen y conteste los ejercicios indicados. 2. Una vez terminado el primero, pase al segundo resumen y después de completar el segundo al tercero. 3. Una vez completada esta parte, relacione las definiciones del glosario con la palabra correcta. 4. Para concluir la actividad es necesario contestar las preguntas de la última sección. 1. Sustancias puras y mezclas: La materia puede ser clasificada de acuerdo a su estado físico en: sólido, líquido o gas y de acuerdo a su composición en: sustancias puras o mezclas. La diferencia entre las sustancias puras y las mezclas radica en, si su composición es o no variable, de una muestra a otra. Mientras que las sustancias puras tienen la misma composición debido a que están formadas del mismo tipo de átomos o de moléculas, las mezclas tienen una composición variable, porque están constituidas por dos o mas sustancias puras en una combinación que puede ser variable. El agua destilada es un ejemplo de sustancia pura, debido a que es 100% agua, su composición nunca varía. En cambio, un té, es una mezcla, debido a que su composición puede variar de una muestra a otra, dependiendo de la concentración del té o del azúcar adicionado. A su vez, las sustancias puras se dividen en dos tipos: elementos y compuestos, dependiendo de si pueden o no ser descompuestos en sustancias más simples. Mientras que los elementos están formados por el mismo tipo de átomos y no pueden ser descompuestos químicamente en otras sustancias más simples, los compuestos están formados por dos o más elementos en proporciones fijas y definidas y pueden ser separados en otras sustancias más simples mediante métodos químicos. Por ejemplo, el agua es un compuesto porque puede ser separada en hidrógeno y en oxígeno mediante electrólisis. Mientras que el hidrógeno y el oxígeno son dos elementos distintos, ya que cada uno está formado por el mismo tipo de átomos, los cuales no pueden ser separados en sustancias más simples. Las mezclas pueden ser: homogéneas o heterogéneas. Si la mezcla es uniforme en apariencia y tiene las mismas propiedades, es una mezcla homogénea. Por el contrario, si la mezcla consiste de dos o más fases físicamente distintas, es heterogénea. Los componentes de una mezcla pueden ser separados unos de otros por métodos físicos, sin que pierdan sus propiedades. Ejercicios 1.1 Identifique a que tipo de materia corresponden los siguientes ejemplos: a. Polvo b. Aspirina (compuesta de 60% de carbono; 4.5 % de hidrógeno y 35.5 % de oxígeno, en masa, sin importar su origen) c. Azufre, que es conocido desde la antigüedad, consiste en átomos de azufre combinados en moléculas d. Acero Los elementos, las sustancias primarias que constituyen a la materia, están formados por el mismo tipo de átomos. A temperatura ambiente, hay cuatro elementos líquidos: el bromo, el mercurio, el cesio y el francio. Once son gases: el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, flúor, cloro, helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón. Todos los demás elementos son sólidos. Muchos elementos fueron nombrados como los planetas, las figuras mitológicas, minerales, colores, ubicaciones geográficas y gente famosa. La simbología química de los elementos son abreviaturas de sus nombres. Algunos símbolos derivan de los nombres griegos o latinos que esos elementos tenían en la antigüedad. Por ejemplo, el sodio en latín, se llama natrium, que significa “metal alcalino”, es por ello que su símbolo es Na. En general se forman a partir de una o dos letras del nombre. La primera letra usada siempre es mayúscula. Ejercicio: 1.2 Escriba sobre la línea el símbolo químico o el nombre de los siguientes elementos: 2. Átomos Los átomos son las partículas más pequeñas de un elemento que conservan las características del mismo. El átomo consiste de un núcleo diminuto, denso, rodeado por electrones dispersos en un espacio relativamente grande en torno al núcleo. El núcleo contiene protones (p+), con carga positiva y neutrones (n0), sin carga, en consecuencia el núcleo tiene carga positiva. Los electrones (e-), tienen carga negativa y se mueven de manera continua alrededor del núcleo. Además de estas partículas subatómicas principales, se han descrito aproximadamente otras 200, entre las que destacan los quarks, leptones, muones, neutrinos. La masa de un protón y de un neutrón es aproximadamente igual a 1 u.m.a. (unidad de masa atómica, definida como la doceava parte de la masa de un átomo del carbono-12) y es unas 1,800 veces mayores que la de un electrón. Esto significa que la mayor parte de la masa de un átomo reside en su núcleo. No obstante, la mayor parte del volumen de un átomo la determinan sus electrones. Ejercicio: 2.1 Complete la siguiente tabla de partículas subatómicas: Nombre Símbolo Carga Masa (u.m.a) Ubicación en el átomo Protón 1- n0 Todos los átomos del mismo elemento tienen siempre el mismo número de protones. Esta característica permite distinguir entre los átomos de un elemento de los átomos de los demás. El número de protones es llamado número atómico (Z), es empleado para identificar cada elemento existente y se puede localizar en una tabla periódica. Como los átomos son neutros, el número de protones es el mismo que de electrones, así que el número atómico también indica el número de electrones en los átomos. Sin embargo, en ciertos procesos, los átomos, pueden ganar o perder electrones y se transforman en especies químicas con carga llamadas, iones. Los iones pueden ser: aniones (de carga negativa, como resultado de ganar electrones) o cationes (de carga positiva, como resultado de perder electrones). Ejercicios: 2.2 Emplee una tabla periódica, para indicar el número atómico, el número de protones y electrones de un átomo de los siguientes elementos: 2.3 Un atómo de 15 protones ha ganado 3 electrones: a. ¿Cuál es su número atómico? a)Fósforo ______ b)Antimonio ______ c)Ts _________ d)Rb ________ No. atómico (Z) No. de protones No. de electrones Ca b. El atómo se transformó en : porque ganó 3 electrones y su carga es de . El número de masa (A) de un átomo es la suma de sus protones y neutrones y siempre es un número entero. Por ejemplo, un átomo de potasio con 19 protones y 20 neutrones, tiene un número de masa de 39. Ejercicios 2.4 Calcule el número de masa de un átomo empleando la información proporcionada: a. 20 protones y 21 neutrones b. Número atómico de 12 y 12 neutrones Aunque los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, no son completamente idénticos, ya que pueden tener diferente número de neutrones y se les conoce como isótopos. La mayoría de los elementos tiene isótopos, con diferente abundancia. Por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno tienen 1 protón. Sin embargo, algunos de los átomos de hidrógeno no tienen neutrones, otros tienen uno y el resto tienen dos. Estos isótopos del hidrógeno tienen mismo número atómico pero diferentes números de masa. Paradistinguir entre los diferentes isótopos de un elemento, se usa la notación isotópica. Consiste en escribir los números atómicos y masas atómicas, en forma de índices al lado izquierdo del símbolo del elemento como se indica a continuación: Símbolo para un isótopo del hidrógeno Ejercicio: 2.5 Identifique el número de protones y neutrones de los isótopos del carbono: a. 𝐶"#$ b. 𝐶"#% 3. Ordenamiento de los electrones en los átomos: Números cuánticos: Determinan el nivel de energía de los electrones en el átomo y la distribución alrededor del núcleo. Existen cuatro números cuánticos: n, l, m y s. • Número cuántico principal (n): Indica tanto la distancia del electrón al núcleo como su energía relativa, mediante capas o niveles de energía, que se representan por valores de 1 en adelante. • Número cuántico secundario o Azimutal (l): Indica la forma del orbital y el subnivel de energía en que se encuentra el electrón. Toma valores en función del nivel de energía y van desde cero hasta (n-1). También son representados por las letras s, p, d y f. • Número cuántico magnético (m): Indica la orientación espacial del subnivel de energía (l) o los orbitales. Sus valores varían entre –l pasando por cero hasta +l. • Número cuántico spin (s): Indica el sentido de giro del campo magnético que produce el electrón al girar sobre su eje. Se representa por los valores +1/2 y -1/2 Ejemplo: Número cuántico principal Número cuántico secundario Número de electrones Configuración electrónica: Es la representación de la distribución de los electrones en cada nivel y subnivel de energía dentro de un átomo. Para su realización se deben ocupar primero los niveles de menor energía 1s hasta llegar a los niveles de mayor energía (principio de mínima energía), también se debe considerar que cada subnivel puede ser ocupado por distinta cantidad de electrones: s=2, p=6, d=10, f=14. En cada orbital puede haber un máximo de dos electrones los cuales deben tener espín contrario. Para facilitar la realización de la configuración electrónica, sin tener la necesidad de memorizarla, se utiliza la siguiente tabla de acuerdo al principio de mínima energía: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 5f14 6s2 6p6 6d10 7s2 7p6 Ejemplo: Aluminio; número atómico 13 Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 e- de valencia: Determinan las propiedades químicas de los elementos representativos de la tabla periódica. Se localizan en el nivel de energía más externo del átomo (capa de valencia). El número de electrones de valencia de un átomo es igual al número de grupo de ese elemento. Por ejemplo, el silicio pertenece al grupo 4A de la tabla periódica y su número atómico es 14: Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Ordenamiento electrónico: Estructura punteada: # Electrones de valencia=4 4. Tabla periódica, grupos, periodos, metales y no metales. La tabla periódica moderna, ordena los elementos según incrementa su número atómico, de tal forma que sus propiedades se repiten en intervalos periódicos. A los elementos de una fila de la tabla periódica se le denomina periodo. Cada fila se numera de la parte superior de la tabla hacia la parte inferior. Por ejemplo el primer periodo contiene únicamente los elementos (H) y helio (He). La tabla periódica está formada por siete periodos. Un grupo o familia incluye a los elementos de la tabla periódica de una columna, los cuales tienen propiedades físicas y químicas similares. Los grupos se definen por los números de la parte superior de la tabla periódica. Algunos grupos tienen nombres específicos como los: halógenos (VIIA o 7A), gases nobles (VIIIA o 8A), etc. Los elementos en la tabla periódica están divididos en secciones: los grupos A, también conocidos como elementos representativos (1A a VIIIA) y los elementos de transición, (grupos B). Otra forma de dividir la tabla periódica es en metales, metaloides, no metales y las series de los lantánidos y los actínidos. Estas divisiones se muestran en la siguiente figura: http://library.thinkquest.org/10429/media/pertable/pertable.gif Ejercicios: 4.1 Relacione las siguientes columnas colocando entre paréntesis la letra que mejor corresponda. ( ) Metal alcalino a. Ne ( ) No metal b. N ( ) Halógeno c. Rb ( ) Gas Noble d. Br ( ) Elemento con propiedades físicas Y químicas semejantes al P e. Se Ley periódica: Tamaño atómico, Tamaño iónico, Afinidad electrónica, Energía de ionización y electronegatividad. ˂ I2˂ I3. Las propiedades físicas y químicas de los elementos en general o de los representativos, pueden predecirse según su posición en la tabla periódica. A continuación se muestra una tabla que indica cómo varían algunas propiedades físicas como son: Electronegatividad, Carácter metálico, Afinidad Electrónica, Energía de ionización y Radio atómico. Electronegatividad: Tendencia a atraer los electrones hacia sí en un enlace químico. Energía de ionización: La energía necesaria para remover un electrón de un átomo neutro o ión en estado gaseoso. Puede haber primera, segunda y tercera energía de ionización según será el primero, segundo o tercer electrón que se remueva del átomo o ión. La tercera energía de ionización (I3) será mayor que la segunda (I2), y ésta, mayor que la primera (I1) : I1 Afinidad electrónica: Es el cambio de energía cuando un átomo en estado gaseoso gana un electrón. Tamaño atómico: El tamaño de los átomos aumenta considerablemente al aumentar el periodo (1,2, 3,etc.), y disminuye ligeramente conforme se avanza hacia la derecha dentro de un mismo periodo. En general, un átomo aumenta de tamaño si gana un electrón, y disminuye su tamaño si pierde un electrón. Ejercicios: 4.2 Para cada par de elementos, seleccione el que corresponde a cada columna: Elementos Mayor tamaño atómico Mayor energía de ionización Mayor afinidad electrónica a) P o Bi 4.3 De los siguientes elementos, seleccione el que tenga mayor electronegatividad: P y F Estructura de Lewis de los elementos. La estructura de Lewis de los elementos, también llamada diagrama de punto, es una forma de representar gráficamente los electrones de valencia de los átomos de los elementos. Los electrones de valencia de un átomo, son los electrones que interactúan con los electrones de otros átomos, o átomos similares, para formar enlaces. El número de electrones de valencia de un elemento representativo corresponde al número de grupo de este elemento. Así, el Flúor que está en el grupo VIIA, tendrá 7 electrones de valencia. La estructura de Lewis para un elemento se forma con el símbolo del elemento y un punto por cada electrón de valencia que tenga el elemento. Para dibujarla, se debe suponer que alrededor de cada símbolo del elemento existen 4 espacios en los que se colocarán los electrones de valencia; cada espacio puede contener un máximo de dos electrones. Por ejemplo para el carbono: Dado que el carbono tiene 4 electrones de valencia, se colocará un electrón en cada espacio alrededor del símbolo y su estructura de Lewis sería: La posición que tengan los electrones alrededor del símbolo de un elemento es equivalente, así, la estructura de Lewis para el hidrógeno puede ser cualquiera de las siguientes: Si el elemento tiene más de cuatro electrones, se procederá a formar pares de electrones en los espacios alrededor del símbolo del elemento, por ejemplo para el oxígeno (Grupo VIA): Ejercicios: 4.4 Indique el número de electrones de valencia de cada uno de los siguientes elementos: a) Ca b) N 4.5 Dibuja la estructura de Lewis para los siguientes elementos representativos: a) Mg b) P c) S Respuestas de los ejercicios del resumen Ejercicio 1.1 a) Mezcla heterogénea,b) Compuesto, c) Elemento, d) Mezcla homogenea Ejercicio 1.2: a. P; b. Sb; c. Tenesino; d. Rubidio Ejercicio 2.1 Ejercicio 2.2: 20,20,20 Ejercicio 2.3: 15, anión, -3 Ejercicio 2.4: a) 41 u.m.a, b) 24 u.m.a Ejercicio 2.5: a) 6,6 b) 6,8 Ejercicio 4.1: De arriba hacia abajo: c,e,d,a,b Ejercicio 4.2: Bi, P, P Ejercicio 4.3: I Ejercicio 4.4: a)2, b)5 Ejercicio 4.5 P + 1+ 1 Núcleo Electrón e - 0 Fuera del núcleo Neutrón 0 1 Núcleo A partir de aquí se capturan las respuestas en Canvas 5. Glosario 1. Relacionar las columnas: 1. Heterogénea ( ) Una de las formas de clasificar a la materia 2. Ion ( ) Característica de una mezcla 3. Capa ( ) Sustancia que puede ser descompuesta en formas más simples 4. Anión ( ) Mezcla formada por dos o más fases 5. Ordenamiento electrónico ( ) Sustancias primarias que forman la materia 6. Composición variable ( ) Nombre latino de la plata que da origen a su símbolo 7. Mercurio ( ) Organismo internacional que regula la nomenclatura de los compuestos químicos 8. Electronegatividad ( ) Partícula más pequeña que conserva las características de un elemento 9. Compuesto ( ) Parte del átomo diminuta, densa, con carga positiva, rodeado de electrones y que contiene la mayor parte de la masa de un átomo 10. Isótopo ( ) Partícula subatómica sin carga y símbolo no 11. Protón ( ) Partícula con carga negativa y cuya masa es mucho menor que la de un neutrón 12. Elementos ( ) Número que representa el número de protones de un átomo 13. Sustancias puras y mezclas ( ) Especie química con carga resultado de la pérdida o ganancia de electrones 14. Tamaño iónico ( ) Número que representa la suma de protones y neutrones 15. Número atómico (Z) ( ) Átomo de un mismo elemento que tiene un número diferente de neutrones 16. Diagrama de Lewis ( ) Región del espacio en la cual es más posible encontrar un electrón 17. Catión ( ) Grupo de orbitales 18. Argentum ( ) Ordenamiento de elementos de forma ascendente de acuerdo al número atómico, de manera que los elementos con comportamiento químico similar se agrupan en columnas verticales 19. IUPAC ( ) electrones que se encuentran en el nivel más externo de energía del átomo y determinan muchas de sus propiedades químicas 20. Orbital ( ) Elemento del grupo 8A, generalmente no reactivo y que rara vez se encuentra combinado con otros elementos 21. Tabla periódica ( ) Nombre que recibe un elemento del grupo 7A de la tabla periódica 22. Energía de ionización ( ) Repetición de las propiedades químicas y físicas similares con incremento del número atómico, debido a la reaparición del mismo número de electrones en las capas más externas de los átomos de esos elementos 23. Átomo ( ) Fila horizontal de elementos en la tabla periódica 24. Afinidad electrónica ( ) Elementos del grupo 2A que tienen dos electrones en su capa más externa 25. Núcleo ( ) Elemento que tiene poco o ningún brillo y es mal conductor del calor y la electricidad. Se localiza a la derecha de la línea en zig-zag de la tabla periódica 26. Electrones de valencia ( ) Nivel de energía que contiene electrones con energía similares 27. Número de masa (A) ( ) Columna vertical de la tabla periódica que contiene elementos que poseen propiedades físicas y químicas similares 28. Neutrón ( ) Ion con carga negativa como Cl- 29. Subcapa ( ) Ejemplo de un elemento metálico líquido 30. Periodo ( ) Tendencia de un elemento a atraer los electrones hacia sí en un enlace químico 31. Electrón ( ) Energía que se necesita para remover un electrón de un átomo o ión en estado gaseoso 32. Metales alcalinotérreos ( ) Capacidad de un átomo aislado en estado gaseoso para captar electrones 33. Gas noble ( ) Característica de un átomo que se incrementa al aumentar el periodo o ganar electrones 34. Grupo o familia ( ) Diagrama de puntos que representa los electrones de valencia 35. No metal ( ) Especie química con carga positiva como Na+ 36. Halógeno ( ) Partícula con carga positiva, masa de 1 uma, se encuentra en el núcleo y se representa como p+ Preguntas de aplicación de conceptos revisados El átomo 2. Complete la siguiente tabla para los átomos que se indican: Número atómico Número de masa Protones Neutrones Electrones Nombre Símbolo 27 Al 20 22 6 7 3. Escriba el número de protones, neutrones y electrones de los siguientes átomos: a) 𝐴𝑙#/ $0 : b) 𝑆#"/% 4. Hay cuatro isótopos del azufre (números de masa 32, 33, 34 y 36): a. ¿En cúal de las siguientes caracterícas son semejantes estos isótopos; número de masa, número de protones, o número de neutrones? b. El ______________ atómico del azufre no es un número entero por que es un promedio ponderado de la masa de sus isótopos Ordenamiento de los electrones en el átomo 5. Para cada par de elementos, seleccione el que corresponde a cada columna: Elementos Mayor tamaño atómico Mayor energía de ionización Mayor afinidad electrónica a) K o Br b) O o Se 6. ¿Cuál elemento de la tabla periódica es el más electronegativo? 7. Identificar los elementos que tienen las siguientes configuraciones electrónicas: a) 1s1 c) 1s22s22p5 d) 1s22s22p63s23p64s2 Tabla periódica y ley periódica 8. Relacionar las propiedades con metales y no metales respectivamente: _____________ Reflejan la luz de una forma característica _____________ Son buenos conductores de la electricidad y del calor _____________ Pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos a temperatura ambiente. _____________ Son malos conductores de la electricidad y el calor _____________ Tienen alta densidad. _____________ Sus puntos de fusión suelen ser más bajos _____________ Carecen de brillo _____________ Son dúctiles y o maleables. 9. Emplea la imagen para relacionar las columnas a. ( ) Metales b. ( ) No metales c. ( ) Elementos estables d. ( ) Elemento no metálico e. ( ) Metaloides 10. Se ha encontrado que los siguientes elementos son fundamentales para los procesos bioquímicos y fisiológicos del cuerpo. Indicar si son metales(M) o no metales(NM). a) Zinc: b) Manganeso: c) Selenio: d) Yodo: 11. ¿Es probable que el Mg, Ca y Sr presenten comportamientos químicos y físicos similares? a. Verdadero b. Falso Regla del octeto 12. Escriba el número de electrones perdidos o ganados cuando los siguientes elementos forman iones: a. Grupo 7A b. Ba c. Br Iones 13. Escriba la configuración electrónica para cada uno de los siguientes iones e indica con cual elemento es isoelectrónico. a. Na+ b. Ca+2 c. N-3 14. Escriba los iones más estables que forman los siguientes elementos: a. Cloro: b. Magnesio: Sección II. Enlaces Químicos Instrucciones: Esta actividad está comprendida de 2 partes. La primera corresponde a la revisión de la información básica de enlaces químicos y en resolver los ejercicios que se plantean. La segunda consiste en capturar en Canvas las respuestas del cuestionario. Es importante que revises y comprendas la información antes de contestar el cuestionario. PARTE 1. Revisa la información, contesta los ejercicios planteados (respuestas al término del resumen) ENLACES Introducción Una propiedad que poseen casi todos los átomos es su capacidad para combinarse, algunos con ellos mismos y formar elementos moleculares como el caso del O2, N2, Cl2, etc., o con otros átomos para formar compuestos moleculares o iónicos. Al combinarse, los átomos se mantienen unidos por fuerzas de atracción y a estas fuerzas de atracción les llamamos enlaces. La formación de enlaces Los enlaces químicos se forman entre dos o más átomos e involucra los electrones de valencia. Los electrones de valencia son los electronesque se encuentran en los orbitales con el mayor número cuántico principal, es decir, son los electrones que se encuentran más alejados del núcleo. Existen dos tipos diferentes de enlaces que se pueden formar entre elementos: el enlace iónico y el enlace covalente. Aunque existe un tercer tipo de enlace, el enlace metálico, este no se discutirá. El enlace iónico Los enlaces iónicos se forman por la atracción electrostática entre cationes (iones con carga positiva) y aniones (iones con carga negativa). Un átomo al perder uno o varios de sus electrones se convierte en un ion cargado positivamente, a este ion se le llama catión. Por el contrario, si un átomo gana electrones se convierte en un ion cargado negativamente al cual se le llama anión. En cada caso, tanto el anión como el catión, adquiere la configuración electrónica de un gas noble y se dice que se hace “isoelectrónico con un gas noble”, esto significa simplemente que su última capa está llena, tal como sucede con los gases nobles. Al tener cargas opuestas, el catión y el anión se atraen y se forma entonces un enlace iónico. Los compuestos iónicos se forman por la combinación de un metal con un no metal, o por la combinación de un metal con un ion poliatómico (iones formados por la combinación de dos o más elementos). Los elementos metálicos pierden electrones para convertirse en cationes y adquieren la configuración electrónica del gas noble anterior. Los no metales ganan electrones para convertirse en aniones y adquieren la configuración electrónica del gas noble siguiente. Ejemplo 1: Elemento Númer o atómic o (Z) Configuración electrónica Gan a e- Pierde e- Total de e- del ion Símbolo del Ion Configuración electrónica del ion Gas noble con el que se hace isoelectrónico Litio (Li) 3 1s2 2s1 --- 1 e- 2 Li + 1s2 Helio (He, Z=2) Cloro (Cl) 17 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 1 e- --- 18 Cl - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Argón (Ar, Z=18) Nota: Recuerda que el elemento gana o pierde electrones dependiendo los electrones que le falten para tener 8 e- en su último nivel. Ejercicio 1: Completa la tabla con la información requerida. Elemento Númer o atómic o (Z) Configuración electrónica Gan a e- Pierd e e- Total de e- del ion Símbol o del Ion Configuración electrónica del ion Gas noble con el que se hace isoelectrónico Potasio (K) Flúor (F) Enlaces covalentes Los enlaces covalentes se forman entre dos no metales por la compartición de electrones. El enlace en la molécula de flúor diatómico (F2) se forma porque cada átomo de flúor comparte uno de sus electrones. En la mayoría de los casos, al formarse un enlace, cada átomo participante en el enlace tendrá ocho electrones en su última capa de valencia (regla del octeto). Electronegatividad, enlaces covalentes polares, cargas parciales y momento dipolar Debido a la electronegatividad, en ocasiones los electrones en un enlace no se comparten de manera equitativa. La electronegatividad se representa por la letra griega “ji” (χ) e indica la capacidad de un elemento para atraer los electrones hacia sí en un enlace, en palabras simples indica cuál de los átomos “jala” más fuertemente los electrones. La electronegatividad de los elementos en la tabla periódica incrementa de abajo hacia arriba y de izquierda a derecha. Cuando se combinan elementos con la misma electronegatividad se forma un enlace covalente no polar ya que ambos elementos atraen con la misma fuerza los electrones en el enlace. Sin embargo, cuando se combinan elementos con diferentes electronegatividades, el más electronegativo atrae más fuertemente los electrones del enlace. En la molécula de fluoruro de hidrógeno (HF), los electrones son atraídos más fuertemente hacia el flúor ya que este tiene una electronegatividad más grande que el hidrógeno. Cuando esto sucede, se dice que el enlace está polarizado, de manera que el flúor al tener más cerca los electrones adquiere una carga parcialmente negativa (δ-), por la misma razón, el hidrógeno adquiere una carga parcialmente positiva (δ+). A este tipo de enlace se le llama enlace covalente polar y como consecuencia de la compartición desigual de los electrones se produce un momento dipolar (una distribución asimétrica de las cargas dentro de la molécula), el cual se representa por una flecha encima del enlace, la cual indica la dirección del dipolo formado y apunta hacia el elemento más electronegativo. En otras palabras, el momento dipolar es una medida de la polaridad a lo largo del enlace. Ejemplo 2: Determina el tipo de enlace que formarían los siguientes elementos al combinarse. Utiliza la tabla que se muestra y los siguientes datos de electronegatividades: Na= 1.5, I= 2.5; F= 4.0. En caso de que el enlace sea covalente polar, indica hacia donde apuntará la flecha del dipolo. Ejemplo Combinación (Metal (M), No metal (NM)) Diferencia de electronegatividades Tipo de enlace ¿Hay momento dipolar? ¿Hacia dónde apunta? Sodio con Flúor (NaF) M + NM 4.0 – 1.5 = 2.5 Iónico No --- Yodo con Yodo (I2) NM + NM 2.5 - 2.5 = 0 Covalente no polar No --- Yodo con Flúor (IF) NM + NM 4.0 – 2.5 = 1.5 Covalente polar Sí Al flúor Ejercicio 2: Determina el tipo de enlace que formarían los siguientes elementos al combinarse. Electronegatividades: F= 4.0; Li= 1.0; I=2.5; O=3.5; Br=2.8. Ejemplo Combinación (Metal (M), No metal (NM)) Diferencia de electronegatividades Tipo de enlace ¿Hay momento dipolar? ¿Hacia dónde apunta? Litio con Flúor (LiF) Oxígeno con Oxígeno (O2) Yodo con Bromo (BrI) Enlaces múltiples Los átomos pueden formar enlaces dobles o triples cuando es necesario compartir más de un electrón para completar ocho electrones en la capa de valencia y así adquirir la configuración de gas noble. En la molécula de O2 cada átomo de oxígeno tiene 6 electrones de valencia y para que cada átomo de oxígeno tenga ocho electrones, es necesario que cada uno de ellos comparta dos electrones y se forma por lo tanto un enlace doble con los cuatro electrones compartidos. En el caso del N2 cada nitrógeno comparte 3 electrones y se forma un enlace triple. Diferencia (χ) Tipo de enlace 0 Covalente no polar 0 < y < 2.0 Covalente polar ≥ 2.0 Iónico ESTRUCTURAS DE LEWIS DE COMPUESTOS COVALENTES Y DE IONES POLIATÓMICOS Las estructuras de Lewis son una de las formas más simples de visualizar y explicar cómo se establecen los enlaces en una molécula. A pesar de que se han desarrollado otros modelos científicos más correctos y elaborados, las estructuras de Lewis continúan siendo el método más utilizado para mostrar los enlaces de una molécula. Gilbert N. Lewis desarrolló un modelo para los enlaces químicos asumiendo que los electrones de valencia se comparten entre los elementos que forman una molécula. Por lo tanto es importante que podamos identificar el número de electrones de valencia en los átomos de una molécula. El número de electrones de valencia es igual al total de electrones en los orbitales s y p más externos. Podemos utilizar la tabla periódica para identificar el número de electrones de valencia de un elemento. El grupo al que pertenece el elemento indica el número de electrones de valencia. Por ejemplo el carbono pertenece al grupo IV, por lo tanto, tiene 4 electrones de valencia. El oxígeno pertenece al grupo VI, por lo tanto tiene 6 electrones de valencia. Los metales de transición no participan en la formación en enlaces covalentes por lo tanto no se discuten aquí. El número de electrones de valencia en una molécula es la suma de los electrones de valencia de sus elementos constituyentes. Ejemplo 3: Determinar el número de electrones de valencia (e-V) en la molécula de CO. e-V del C = 4x1 (Pertenece al grupo IV y hay un átomo de C) e-V del O = 6 x1 (Pertenece al grupo VI y hay un átomo de O) Total=10 electronesde valencia Ejemplo 4: Determinar el número de electrones de valencia en la molécula de CO2 e-V C = 4 x1 (Pertenece al grupo IV y hay un átomo de C) e-V del O = 6 x2 (Pertenece al grupo VI y hay dos átomos de O) Total=16 electrones de valencia Ejercicio3: Determinar el número de electrones de valencia (e-V) en la molécula de H2O. e-V del H = e-V del O = Total= Para dibujar una estructura de Lewis, un enlace se define como la compartición de un par de electrones entre dos átomos. A los pares de electrones que no participan en la formación de enlaces se les llama par de electrones no compartidos o pares de electrones libres (pares de e- libres). Cuando tres o más átomos forman una molécula, los elementos se ordenan alrededor de un átomo central. Para establecer el arreglo de la molécula se siguen las siguientes reglas: a) Los arreglos simétricos son favorecidos b) El hidrógeno y el flúor nunca pueden ser átomos centrales c) El elemento menos electronegativo es usualmente el átomo central Cuando se da el caso de que para un compuesto se puedan plantear dos o más estructuras posibles, el cálculo de cargas formales nos ayudará a discriminar cuál de las estructuras es la correcta. La carga formal (CF) de un átomo se calcula restando a los electrones de valencia del átomo los electrones libres y los enlaces que tenga. CF= electrones de valencia – electrones libres - enlaces La suma de las cargas formales de moléculas neutras siempre es cero. Ejemplo 5: Calcula la carga formal de los átomos en la molécula de CO2. Carbono Grupo IV: 4 e- V e- libres = 0 (no tiene) Enlaces = 4 CF= 4 -0 -4 = 0 Oxígeno Grupo VI: 6 e- V e- libres = 4 Enlaces = 2 CF= 6 -4 -2 = 0 Oxígeno Grupo VI: 6 e- V e- libres = 4 Enlaces = 2 CF= 6 -4 -2 = 0 CF C = 0 CF O = 0 CF O = 0 Total: 0 Como es una molécula neutra, la suma debe ser cero. Metales de transición Ejercicio 4: Calcula la carga formal de los átomos en la molécula de SO2. Verifica que la suma de las CF sea cero ya que es una molécula neutra. Azufre Grupo ___: ___ e- V e- libres = Enlaces = CF= Oxígeno Grupo __: __ e- V e- libres = Enlaces = CF= Oxígeno Grupo __: __ e- V e- libres = Enlaces = CF= CF S = CF O = CF O = Total: Como ya se mencionó, las cargas formales nos ayudan a discriminar cuál es la estructura correcta cuando hay varias opciones. Los criterios que se utilizan son los siguientes: 1. La estructura que tenga cargas formales más cercanas a cero es favorecida 2. La estructura que tengas las cargas formales negativas en los elementos más electronegativos es favorecida Ejemplo 6: De las posibles estructuras mostradas, la del centro es la más probable en la de la izquierda y la de la derecha, el nitrógeno tiene una carga formal negativa, por lo tanto, viola la regla 2, ya que el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno Existen casos en que se pueden dibujar más de una estructura y todas son correctas, a este fenómeno se le conoce como resonancia y se representa dibujando todas las estructuras y una flecha doble entre ellas. La flecha doble indica que las estructuras son equivalentes y están fluctuando entre una y otra. Este fenómeno ocurre cuando hay enlace(s) doble(s). EXCEPCIONES A LA REGLA DEL OCTETO La regla del octeto establece que la mayoría de los elementos tienden a formar enlaces para llenar su capa más externa con 8 electrones, sin embargo, hay algunos elementos que no necesitan tener 8 electrones para adquirir una configuración electrónica estable o que pueden tener más de 8 electrones. Esto da origen a tres grandes excepciones a la regla del octeto: 1. Compuestos con átomos con octeto incompleto 2. Compuestos con átomos con número impar de electrones de valencia 3. Compuestos con átomos con octeto expandido Octeto incompleto Hay elementos que se estabilizan con menos de 8 electrones en su última capa y por lo tanto no cumplen la regla del octeto. El hidruro de berilio (BeH2) es el ejemplo característico de esta excepción. El Berilio forma solamente dos enlaces. Por lo tanto adquiere una configuración electrónica estable con 4 electrones. Elementos del grupo III como el B y el Al pueden formar 3 enlaces covalentes y con 6 electrones adquieren una configuración electrónica estable. La tabla muestra los elementos más comunes que forman compuestos con este tipo de excepción. Número impar de electrones de valencia Alguno compuestos tienen un número impar de electrones de valencia ya que poseen algún elemento del grupo V o VII. En estos compuestos, uno de los átomos tendrá un electrón desapareado en la estructura de Lewis. Ejemplo: monóxido de nitrógeno, NO. Elemento Cantidad de enlaces que puede formar Cantidad de electrones con los que se estabiliza Hidrógeno 1 2 Berilio 2 4 Boro 3 6 Aluminio 3 6 Octeto expandido Hay casos donde los elementos pueden expandir sus capas externas para tener más de 8 electrones. Un ejemplo de esto es el hexafluoruro de azufre (SF6), el cual se usa en la fabricación de transformadores eléctricos. Los elementos no metálicos del tercer periodo y posteriores tienen esta capacidad. Específicamente, los elementos después del número atómico Z=14 pueden tener octetos expandidos, esto significa que pueden tener más de 8 electrones en su última capa. En los compuestos que involucran a estos elementos, el elemento que puede expandir el octeto es el átomo central, pero solamente puede expandir su valencia si hay un orbital d vacío que tenga una energía similar a la capa de valencia del orbital. Estos elementos no siempre expanden su valencia, pero tienden a hacerlo bajo las siguientes condiciones: • Cuando los átomos enlazados son altamente electronegativos, por ejemplo, oxígeno, flúor o cloro • Cuando la carga formal en el átomo central en la estructura con valencia expandida sea más cercana a cero que en cualquier otra estructura posible. Bibliografía: http://media.wwnorton.com/college/chemistry Respuestas de los ejercicios del resumen Ejercicio 1: Completa la tabla con la información requerida. Elemento Número atómico (Z) Configuración electrónica Gana e- Pierde e - Total de e- del ion Símbolo del Ion Configuración electrónica del ion Gas noble con el que se hace isoelectrónico Potasio (K) 19 1s2 2s2 2p6 3s2 3p64s1 --- 1e- 18 K+ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Argón [Ar] Flúor (F) 9 1s2 2s2 2p5 1e- --- 10 F- 1s2 2s2 2p6 Neón [Ne] Ejercicio 2: Determina el tipo de enlace que formarían los siguientes elementos al combinarse. Electronegatividades: F= 4.0; Li= 1.0; I=2.5; O=3.5. Ejemplo Combinación (Metal (M), No metal (NM)) Diferencia de electronegatividades Tipo de enlace ¿Hay momento dipolar? ¿Hacia dónde apunta? Litio con Flúor (LiF) M + NM 4.0 – 1.0 = 3.0 Iónico No --- Oxígeno con Oxígeno (O2) NM + NM 3.5 -3.5 = 0 Covalente no polar No --- Yodo con Bromo (BrI) NM + NM 2.8 – 2.5 = 0.3 Covalente polar Sí Al Bromo Ejercicio: 3. Determinar el número de electrones de valencia (e-V) en la molécula de H2O. e-V del H = 1x2 (Pertenece al grupo I y hay dos átomo de H) e-V del O =6 x1 (Pertenece al grupo VI y hay un átomo de O) Total=8 electrones de valencia Ejercicio 4: Calcula la carga formal de los átomos en la molécula de SO2. Verifica que la suma de las CF sea cero ya que es una molécula neutra. Azufre Grupo _VI: _6 e- V e- libres = 2 Enlaces = 4 CF= 6-2-4=0 Oxígeno Grupo VI: _6 e- V e- libres = 4 Enlaces =2 CF= 6-4-2=0 Oxígeno Grupo VI: _6 e- V e- libres = 4 Enlaces = 2 CF= 6-4-2=0 CF S = 0 CF O = 0 CF O = 0 Total: sin carga Parte 2. Contesta el siguiente cuestionario y las respuestas deberán ser capturadas en Canvas A partir de aquí se capturan las respuestas en Canvas CUESTIONARIO: 15. Cuáles son los electrones que participan en la formación de enlaces entre dos átomos: a) Losque están más cercanos al núcleo b) Los que están más alejados del núcleo 16. Si un átomo pierde un electrón se forma un ______________ con carga ______________ , si gana un electrón se formará un _________________ el cual tiene carga ________________. 17. Al formarse un catión o un anión se dice que los átomos participantes adquieren “una configuración electrónica de gas noble”, lo cual significa que: a) Han llenado su capa más externa b) Se convierten en gases nobles c) Ha adquirido el arreglo electrónico más estable d) Todas son correctas 18. Selecciona los enunciados que son verdaderos para un enlace iónico a) Se forma por una atracción electrostática entre iones con cargas diferentes b) Se forma entre un metal y un no metal c) Se forma entre un no metal y un ion poliatómico d) Se forma entre dos metales 19. ¿Cuál no es una característica de un enlace covalente? a) Se forma entre dos no metales b) Involucra que dos átomos compartan electrones c) En general, los átomos involucrados al formar el enlace, lo hacen para tener 8 electrones en la última capa d) Involucra atracciones electrostáticas 20. La ____________ se define como la capacidad de atraer electrones en un enlace y se representa por la letra χ. 21. Un enlace covalente polar se forma entre: a) Átomos con diferente electronegatividad b) Átomos con igual electronegatividad c) Dos átomos metálicos 22. En el enlace formado entre I y H en el HI, el hidrógeno tendrá una carga parcialmente ______________. 23. La medida de la polaridad a lo largo de un enlace es conocida como _________________ y se representa como una flecha apuntando hacia el elemento __________ electronegativo. 24. Un momento dipolar nos indicaría que: a) Los electrones en un enlace están más cerca de uno de los dos átomos b) Los electrones se comparten equitativamente c) Los electrones están más cerca del átomo menos electronegativo d) Es un enlace covalente no polar 25. La formación de enlaces covalentes múltiples (triples o dobles) es posible si los átomos participantes logran tener 8 electrones en su capa más externa. V ____ F _____ 26. Método usado para mostrar la manera en que se forman los enlaces en una molécula: a) Configuración electrónica b) Estructura de puntos de Lewis c) Momento dipolar 27. ¿Cuántos electrones de valencia hay en el CH4? ______________ 28. Selecciona los enunciados que son falsos al dibujar una estructura de Lewis: a) El hidrógeno puede ser el átomo central b) Los arreglos simétricos no son favorecidos c) El átomo menos electronegativo puede ser el átomo central d) El flúor no puede ser el átomo central 29. En la molécula de agua (H2O) el átomo central es el: _______ 30. Indica si el siguiente enunciado para la regla del octeto es falso o verdadero: “Los átomo tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta estar rodeados por 8 electrones de valencia F ____ V ____ 31. Las excepciones a la regla del octeto son tres, relaciona las columnas: I. El hidruro de berilio (BeH2) es un ejemplo para este tipo de excepción ( ( ) CO2 II. En este tipo de excepción participa un átomo con un número impar ( de electrones de valencia. La molécula que cumple con esto es: ( ) Octeto expandido III. El hexafluoruro de azufre (SF6) representa un ejemplo de este tipo de excepción. ( ) Número impar de electrones de valencia ( ( ( ) NO ( ( ( ) Octeto incompleto 32. Para decidir entre varías posibles estructuras, se utiliza el cálculo de la __________________ cuya sumatoria es cero para moléculas neutras. 33. Selecciona los enunciados que son verdaderos para escoger la estructura correcta cuando hay más de una posibilidad: a) Los arreglos simétricos no son favorecidos b) La estructura con la carga formal más alejada de cero es favorecida c) La estructura con carga formal negativa en los elementos más electronegativos es favorecida d) La estructura con carga formal positiva en los elementos más electronegativos es favorecida e) La estructura con la carga formal más cercana a cero es favorecida 34. La suma de cargas formales para moléculas neutras debe ser cero. En el caso de un anión debe de ser igual a la carga del anión y el mismo criterio aplica para los cationes: F _______ V _______ 35. Para escribir correctamente la estructura para un ion, se debe de encerrar la estructura en un corchete e indicar la carga formal del ion como un superíndice: F ___ V ___ 36. Cuando se tienen arreglos simétricos y dobles enlaces es posible obtener varías estructuras de Lewis correctas, a este fenómeno se le llama __________________ y las flechas dobles indican que las estructuras son equivalentes. 37. Selecciona los elementos que pueden tener octeto expandido: a) P b) H c) Cl d) S e) F
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