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MOLÉCULAS DIATÓMICAS MOLÉCULAS DIATÓMICAS Homonucleares: H2, N2, O2, etc. Heteronucleares: HF, HCl, NaCl, etc. Cl H F H Ocurre mediante la transferencia completa de electrones de un átomo al otro formando iones. Se produce entre átomos con diferencia de electronegatividad (X) en valor absoluto igual o mayor o igual a 2. Cuando se forma una unión iónica, uno de los átomos pierde electrones y el otro los gana, hasta que ambos alcanzan la configuración electrónica de un gas noble. Por ejemplo entre que tiene electronegatividad X = 4.0 y de electronegatividad X = 0,82 ∆X = |4.0 – 0.82| = 3,18 A cierta distancia de interacción: y se forman los iones y Que se aproximan por fuerzas de atracción coulómbicas formando la molécula par-iónica MOLÉCULAS DIATÓMICAS - ENLACE IÓNICO F K K F e - K + F - K + F - ∆X = |XA-XB| ≥ 2 MOLÉCULAS DIATÓMICAS - ENLACE COVALENTE Se produce por la coparticipación de electrones de valencia entre átomos iguales o diferentes: Para moléculas Diatómicas Homonucleares: |∆X| = 0 µ = 0 Ejemplo: H(g) + H(g) H (g) Para moléculas Diatómicas Heteronucleares: 0 < |∆X| < 2 µ > 0 Ejemplo: H(g) + Cl(g) H Cl (g) La coparticipación de electrones de valencia para formar un enlace covalente, permite que cada elemento adquiera la configuración electrónica del gas noble más próximo y se representa mediante las llamadas Estructuras Electrónicas de Lewis o regla del octeto. 2 d+ d- Teoría de Lewis 1. Los electrones de valencia juegan un papel fundamental en el enlace químico. 2. La transferencia de electrones de un átomo a otro, forma iones positivos y negativos que se atraen entre sí mediante fuerzas electrostáticas dando lugar a los enlaces iónicos. 3. Cuando se comparten pares de electrones entre los átomos se origina el enlace covalente. 4. Los electrones se transfieren o comparten de manera que los átomos adquieren una configuración electrónica de gas noble (con ocho electrones externos que se denomina octeto). ESTRUCTURAS ELECTRÓNICAS DE LEWIS Reglas para representar la Estructura de Lewis 1.- A partir de la nomenclatura de una molécula o ion, escribir la fórmula química y determinar el número total de electrones de valencia a distribuir entre los átomos Molécula: se suman los electrones de valencia de todos los átomos que la forman Ion negativo: a la suma de los electrones de valencia de todos los átomos, se le suma la carga del ion Ion positivo: a la suma de los electrones de valencia de todos los átomos, se le resta la carga del ion Ejemplos: H= 1 e- de valencia Cl= 7 e- de valencia H= 1 e- de valencia C= 4 e- de valencia N= 5 e- de valencia C= 4 e- de valencia O= 6 e- de valencia x 2 S= 6 e- de valencia O= 6 e- de valencia x 4 + 2 cargas negativas HCl HCN CO 2 SO 4 2- Total 8 e - Total 10 e - Total 16 e - Total 32 e - cloruro de hidrógeno cianuro de hidrógeno Anhídrido carbónico ion sulfato ESTRUCTURAS ELECTRÓNICAS DE LEWIS 2.- Distribución de los átomos: en moléculas poliatómicas, se ubica como átomo central el menos electronegativo (excepto H y halógenos que nunca son átomos centrales), y los átomos restantes se distribuyen simétricamente alrededor del átomo central. H Cl H C N O C O O S O O O 3.- Distribución del total de electrones de valencia de a pares: se ubica un par de electrones entre átomos y luego comenzando por el más electronegativo, se rodea cada átomo no central con pares de electrones, hasta completar el octeto (dos para H). Si aún sobran electrones, se ubican de a pares sobre el átomo central H Cl .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. O C O .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. O S O O O 2- H C N .. .. .. .. .. Total 8 e - Total 10 e - Total 16 e - Total 32 e - H C N .. .. .. .. .. H C N .. .. .. .. .. O C O .. .. .. .. .. .. .. .. O C O .. .. .. .. .. .. 2- O S O O O .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 4.- Atomos con 8 electrones de valencia: se desplazan pares de electrones hacia los enlaces con el átomo central hasta que todos los átomos tengan 8 electrones (2 para H) H Cl .. .. .. .. H Cl | .. .. .. H C N .. | | | | O C O .. .. | | | | 2- O S O O O .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. | | | | H Cl | H C N | | | | 2- O S O O O | | O C O | | | | Enlace covalente simple Enlace covalente triple Enlace covalente doble Reemplazando cada par de electrones de los enlaces por una línea horizontal: ESTRUCTURAS ELECTRÓNICAS DE LEWIS Omitiendo los pares de electrones no enlazados: .. .. .. .. ESTRUCTURAS ELECTRÓNICAS DE LEWIS TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DEL ENLACE COVALENTE TEORÍA DEL ENLACE VALENCIA (TEV): Heitler y London (1927) TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR (TOM): Millikan y Hund (1930) Friedrich Hund (1896 – 1997) (1868 – 1953) Robert Millikan Walter Heitler (1904 – 1981) Fritz London (1900 – 1954) TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DEL ENLACE COVALENTE TEORÍA DEL ENLACE VALENCIA (TEV) Postulados 1.- Los átomos concurren completos para formar el enlace 2.- Solamente los orbitales y electrones de valencia participan en el enlace 3.- Los enlaces se forman por superposición de orbitales atómicos (OA) que poseen un electrón desapareado 4.- La superposición de OA es máxima para lograr un enlace más fuerte y en cada enlace hay 2 electrones con espines opuestos TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DEL ENLACE COVALENTE TEORÍA DEL ENLACE VALENCIA (TEV) Tipos de Enlaces según TEV Enlaces σ Enlaces π Superposición de 2 OA s: σs–s Superposición de 1 OA s y 1 OA p: σs–p Superposición de 2 OA p cabeza a cabeza: σp–p Superposición lateral de 2 OA p Enlaces σ Enlace σs–s OA s OA s + A B Superposición de OA Enlace σs–s AB . . . . . . Enlace σs–p A B OA s OA p Superposición de OA Enlace σs–p AB + . . . . . . Enlace σp–p (c-c) A B OA p OA p Superposición de OA Enlace σp–p (c-c) AB + . . . . . . Los enlaces σ no poseen plano nodal que pasa por los núcleos Enlace π Enlace π A B OA p OA p Superposición lateral de 2 OA p Enlace π AB + . . . . . . Los enlaces π poseen 1 plano nodal que pasa por los núcleos Lo enlaces σ son mas fuertes que los enlaces π debido a una mayor superposición de OA ESTUDIO DE MOLÉCULAS DIATÓMICAS USANDO LA TEV Los enlaces covalente entre dos átomos, pueden ser: simple, doble o triple Los enlaces simples son siempre σ A B Los enlaces dobles son siempre, uno de ellos σ y el otro π A B Los enlaces triples son siempre, uno de ellos σ y los dos restantes son π A B σ π π σ π σ Según la TEV cada molécula diatómica tiene un Orden de Enlace (OE) que es igual al número de enlaces que posee la misma El OE permite evaluar en términos relativos ciertas propiedades de las moléculas A mayor número de enlaces, mayor OE, y : Mayor Fuerza y Energía del enlace Mayor Energía de Disociación Menor Longitud deEnlace Mayor Estabilidad Química ESTUDIO DE MOLÉCULAS DIATÓMICAS USANDO LA TEV ORDEN DE ENLACE (OE) O O ESTUDIO DE ALGUNAS MOLÉCULAS HOMONUCLEARES DE UN MISMO PERIODO (TEV) 1.- Molécula de F F: Z=9 Config. Electrónica: [He]2 2s2 2px2 2py2 2pz1 2 2p z 2p z + . . F F σp-p 2.- Molécula de O O: Z=8 Config. Electrónica: [He]2 2s2 2px2 2py1 2pz1 σp-p 2 2p z 2p z + . 2p y 2p y π . ESTUDIO DE ALGUNAS MOLÉCULAS HOMONUCLEARES DE UN MISMO PERIODO (TEV) Molécula F2 ( ) O2 N2 LE (Å) 1,44 1,21 1,10 D (kcal/mol) 38 117 226 N N σp-p 3.- Molécula de N N: Z=7 Config. Electrónica: [He]2 2s2 2px1 2py1 2pz1 2 2p z 2p z + . . 2p y 2p y π π 2p x 2p x Esta teoría permite predecir con buena aproximación los valores experimentales de LE y D de moléculas diatómicas. Sin embargo falla en la predicción de las propiedades magnéticas F F (O O) (N N) OE TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR (TOM) Postulados 1.- Los centros atómicos (núcleo y electrones internos) de cada átomo se conducen hasta ocupar la posición que tendrán en la molécula, generando un campo Ep en el que se mueven los electrones de valencia 2.- La combinación matemática lineal (suma y resta) de las funciones de los orbitales atómicos de valencia (OA) del mismo tipo dará origen a orbitales moleculares (OM) policéntricos enlazantes y antienlazantes, los que pertenecen a todos los centros atómicos de la molécula. Proceso que se identifica con la sigla CLOA-OM Para una molécula diatómica AB: TEORÍAS SOBRE LA FORMACIÓN DEL ENLACE COVALENTE TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR (TOM) Postulados 4.- Cada OM tiene una determinada energía. Los OM que tienen la misma energía son degenerados 5.- Los OM se clasifican en: Enlazantes: tienen menor energía que los OA de los que provienen, favoreciendo el enlace Antienlazantes: tienen mayor energía que los OA de los que provienen, desfavoreciendo el enlace No Enlazantes: son los OA del corazón, que no participan del enlace y que al formarse las moléculas pasan a ser OM. No se incluyen en el diagrama de energía de los OM, pero sí en la configuración electrónica de la molécula cómo capas completas: K, L, M, N, etc. 3.- Se forman tantos OM como OA se combinan 6.- Del ordenamiento de menor a mayor energía de los OM (Enlazantes y Antienlazantes) surge el Diagrama de Energía de los OM 7.- Los electrones de valencia de los átomos se distribuyen en el diagrama de energía de los OM aplicando el Principio de Exclusión de Pauli y la Regla de Hund TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR (TOM) Postulados TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR 1.- Combinación Lineal de Orbitales Atómicos s (CLOA-s): y σs σs * TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR 2.- Combinación Lineal de Orbitales Atómicos p cabeza a cabeza (CLOA-p ): y Z σz * σz TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR 3.- Combinación Lineal de Orbitales Atómicos p lateral (CLOA-p ) y (CLOA-p ): , , y x y πx * πx πy πy * p y p y TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR OM (CLOA-OM) σ σs σs * σz * σz (enlazante) (enlazante) (antienlazante) (antienlazante) π πx πx * πy πy * (enlazante) (enlazante) (antienlazante) (antienlazante) TIPOS DE ORBITALES MOLECULARES - RESUMEN TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR p y p y DIAGRAMA GENERAL DE ENERGIA DE LOS OM PARA MOLECULAS DIATOMICAS TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Para cada molécula, se va completando el diagrama de energía con la suma de los electrones de valencia de los dos átomos que la forman, siguiendo el Principio de Exclusión de Pauli y la Regla de Hund. Luego es posible: escribir la configuración electrónica de la molécula, predecir sus propiedades magnéticas y calcular un orden de enlace (OE) Pasos para escribir la configuración electrónica de la molécula 1.- Representar los OM No Enlazantes: a partir del corazón (orbitales y electrones internos) de la configuración electrónica de los átomos que forman la molécula, como capa completa para cada átomo 1s = [He] = K 1s 2s 2p = [Ne] = KL 1s 2s 2p 3s 3p = [Ar] = KLM 2.- A continuación se escriben los OM Enlazantes y Antienlazantes siguiendo el orden del diagrama de energía para cada molécula, indicando el número de electrones de cada OM con un supraíndice 2 2 2 2 2 2 6 6 6 2 10 18 TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Propiedades Magnéticas de la molécula La TOM permite predecir las propiedades magnéticas a partir del diagrama de energía de cada molécula diatómica Paramagnética (atraída por un imán): cuando hay uno o más OM con electrones desapareados Diamagnética (repelida por un imán): cuando todos los OM están apareados Orden de Enlace (OE) de la molecula Se calcula a partir del diagrama de energía de la molécula, usando la siguiente ecuación: Mayor Fuerza y Energía del enlace Mayor Energía de Disociación Menor Longitud de Enlace Mayor Estabilidad Química A mayor OE (si el OE=0, la molécula no existe) TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Aplicación de la TOM a moléculas homonucleares del periodo 1 ( H , He2 ) 2 1.- Molécula de H Configuración electrónica del átomo de H (Z=1): 1s1 1 electrón de valencia para cada átomo de H Total de electrones a distribuir en el diagrama de energía: 2 (aplicando el Principio de Exclusión de Pauli y la Regla de Hund) Configuración electrónica de la molécula: s2 = 1 De acuerdo a la TOM esta molécula puede existir, pero es relativamente inestable (coincidente con los datos experimentales) 2 Propiedades Magnéticas: Diamagnética TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Aplicación de la TOM a moléculas homonucleares del periodo 1 ( H , He2) 2 1.- Molécula de He Configuración electrónica del átomo de He (Z=2): 1s2 2 electrones de valencia para cada átomo de He Total de electrones a distribuir en el diagrama de energía: 4 (aplicando el Principio de Exclusión de Pauli y la Regla de Hund) Configuración electrónica de la molécula: s2 s*2 = 0 De acuerdo a la TOM esta molécula no puede existir (coincidente con los datos experimentales) 2 Propiedades Magnéticas: Diamagnética TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Total de electrones a distribuir en el diagrama de energía: 10 (aplicando el Principio de Exclusión de Pauli y la Regla de Hund) Configuración electrónica de la molécula: KK s2 s*2 x2 y2 z2 Propiedades Magnéticas: Diamagnética = 3 De acuerdo a la TOM la molécula de nitrógeno existe y es químicamente muy estable (coincidente con los datos experimentales) 2 2 Aplicación de la TOM a moléculas homonucleares del periodo 2: N , O N Configuración electrónica del átomo de N (Z=7): [He]2 2s2 2px1 2py1 2pz1 5 electrones de valencia para cada átomo de N 2 p y p y Configuración electrónica del átomo de O (Z=8): [He]2 2s2 2px2 2py1 2pz1 6 electrones de valencia para cada átomo de O Total de electrones a distribuir en el diagrama de energía: 12 (aplicando el Principio de Exclusión de Pauli y la Regla de Hund) Configuración electrónica: KK s2 s*2 x2 y2 z2 x*1 y*1 Propiedades Magnéticas: Paramagnética = 2 De acuerdo a la TOM la molécula de oxígeno existe y en términos relativos, es químicamente estable (coincidente con los datos experimentales) TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR 2 2 Aplicación de la TOM a moléculas homonucleares del periodo 2: N , OO 2 TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Comparación con los resultados experimentales Molécula OE D (kcal/mol) LE (Å) Estabilidad Química Propiedad Magnética N2 3 226 1,10 Muy Estable D O2 2 117 1,21 Estable P 2 2 Aplicación de la TOM a moléculas homonucleares del periodo 2: N , O TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Total de electrones a distribuir en el diagrama de energía: 10 (aplicando el Principio de Exclusión de Pauli y la Regla de Hund) Configuración electrónica de la molécula: KK s2 s*2 x2 y2 z2 Propiedades Magnéticas: Diamagnética = 3 De acuerdo a la TOM la molécula de CO existe y es químicamente muy estable. (coincidente con los datos experimentales) Aplicación de la TOM a moléculas heteronucleares del periodo 2: CO , NO CE: O (Z=8): [He]2 2s2 2px2 2py1 2pz1 6 electrones de valencia para cada átomo de O CO Configuración electrónica de C (Z=6): [He]2 2s2 2px1 2py1 4 electrones de valencia para cada átomo de C p y TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Total de electrones a distribuir en el diagrama de energía: 11 (aplicando el Principio de Exclusión de Pauli y la Regla de Hund) Propiedades Magnéticas: Paramagnética = 2,5 De acuerdo a la TOM la molécula de NO existe y es químicamente muy estable. (coincidente con los datos experimentales) Aplicación de la TOM a moléculas heteronucleares del periodo 2: CO , NO CE de O (Z=8): [He]2 2s2 2px2 2py1 2pz1 6 electrones de valencia para cada átomo de O NO Configuración electrónica del átomo de N (Z=7): [He]2 2s2 2px1 2py1 2pz1 5 electrones de valencia para cada átomo de N Configuración electrónica de la molécula: KK s2 s*2 x2 y2 z2 x*1 p y TEORÍA DEL ORBITAL MOLECULAR Comparación con los resultados experimentales Molécula OE D (kcal/mol) LE (Å) Estabilidad Química Propiedad Magnética CO 3 26,44 1,12 Muy Estable D NO 2,5 21,53 1,15 Estable P Aplicación de la TOM a moléculas heteronucleares del periodo 2: CO , NO Para ampliar… MOLÉCULAS DIATÓMICAS PROPIEDADES ELÉCTRICAS (DIPOLO y MOMENTO DIPOLAR (μ)) Dipolo: sistema de dos densidades de carga eléctrica de igual magnitud y de distinto signo (+ y -), separadas por una distancia d Momento dipolar (μ): dado un dipolo, se define el momento dipolar como el producto de la magnitud de cualquiera de las densidades de cargas eléctricas por la distancia que las separa – + d = d = momento dipolar [=] ues.cm (en Debye: 1D = 10 -18 ues.cm) = valor absoluto de la densidad de carga eléctrica [=] ues d = distancia entre los centros de densidades de cargas eléctricas [=] cm POLARIDAD DEL ENLACE EN MOLÉCULAS DIATÓMICAS = d Homonucleares ( = 0): formadas por 2 átomos iguales (igual electronegatividad) = 0 y = 0 Heteronucleares ( 0): formadas por 2 átomos diferentes (diferente electronegatividad). La nube electrónica se desplaza hacia el átomo más electronegativo, generando un dipolo permanente Representación General Ejemplo:: A B m > 0 d - d + H F m > 0 d - d + H F m > 0 MOLÉCULAS DIATÓMICAS DETERMINACIÓN DEL CARÁCTER IÓNICO PARCIAL DE UN ENLACE COVALENTE SIMPLE H Cl m > 0 Ejemplo: cloruro de hidrógeno = d = / d d - d + H Cl m > 0 Datos experimentales: = 1,07 D = 1,07x10-18 ues.cm d = 1,27 A° = 1,27 x 10-8 cm = / d = = 0,84x10-10 ues || = / d = Carga de 1 electrón: 4,8x10-10 ues 100 % de carácter iónico =0,84x10-10 ues X % carácter iónico = 17% carácter iónico 83% carácter covalente A mayor , mayor % de carácter iónico, mayor fortaleza del enlace, mayor D y menor LE MOLÉCULAS DIATÓMICAS d = 1,27 A° = 1,27 x 10-8 cm = / d = = / d = TEORÍA DE LA RESONANCIA EN MOLÉCULAS DIATÓMICAS HETERONUCLEARES – HÍBRIDO DE RESONANCIA A B Estructura 100% covalente (teórica) A B + _ Estructura 100% iónica (teórica) A B d - d + Contribución iónica Contribución covalente Estructura del Híbrido de Resonancia Híbrido de Resonancia: estructura que se representa por una función de onda y que surge de la combinación matemática de las funciones de ondas de las estructuras teóricas contribuyentes (iónicas y covalentes) MOLÉCULAS DIATÓMICAS Resonancia El híbrido de resonancia es la verdadera estructura, de menor energía y por lo tanto la más estable. La energía de resonancia es la diferencia de energía entre la estructura contribuyente de menor energía y el híbrido de resonancia. Indica cuánto más estable es el híbrido de resonancia con respecto a la estructura contribuyente de menor energía. = / d = = / d = ENERGÍA DE RESONANCIA EN MOLÉCULAS DIATÓMICAS HETERONUCLEARES Mayor % de contribución de la estructura covalente Mayor % de contribución de la estructura iónica MOLÉCULAS DIATÓMICAS FIN HCl H Cl NHC + sssuperposición enlace s-s + spsuperposición enlace s-p + pp superposicióncabezaa cabezadedosorbitalesp enlace p-p + pp superposiciónlateral enlace + 2p z 2p z + 2p z 2p z 2p y 2p y + 2p z 2p z 2p x 2p x 2p y 2p y + - combinaciónlineal A B A B + A B - Molecularenlazante * Molecularantienlazante pertenecenaloscentros atómicosAyB pertenecenatoda lamolécula + - ss resta suma s-s(superposicióndestructiva) s+s(superposiciónconstructiva) OM s * (antienlazante) OM s (enlazante) E E+ E- 0 resta suma p z -p z (superposicióndestructiva) p z +p z (superposiciónconstructiva) OM z * (antienlazante) OM z (enlazante) E E+ E - 0 + - resta suma p x -p x (superposicióndestructiva) p x +p x (superposiciónconstructiva) OM x * (antienlazante) OM x (enlazante) E E+ E- 0 + - p x p x p z p z p x p x p y p y s s E s s * x y z x * y * z * OAdelátomoAOAdelátomoBOMdelamoléculaAB 2 ntes antienlaza electrones de Nº enlazantes electrones de Nº OE - = E s s * E s s * E s s * x y z x * y * z * cm 1,27x10 ues.cm 1,07x10 8 18 - - mayor%decontribucióndela estructuracovalente mayor%decontribucióndela estructuraiónica E híbridoderesonancia estructuracovalente(teórica) estructuraiónica(teórica) A + B - AB AB + - ER=energíaderesonancia E híbridoderesonancia estructuracovalente(teórica) estructuraiónica(teórica) A + B - AB AB + - ER=energíaderesonancia
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