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Enlace Químico
Dr. Jorge Garza Olguín
Coordinador del Laboratorio de Supercómputoy Visualización en Paralelo
Universidad Autónoma Metropolitana - Iztapalapa
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•Breve descripción del curso•Presentación del expositor•Presentación de asistentes•Definición de la química•La química en la ciencia
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Temario
•La química en el siglo XIX•Dalton•Experimentos electroquímicos•Teoría de los tipos•Valencia•Clasificación de los elementos
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•La estructura electrónica de los átomos•El modelo de Bohr•Ideas principales de la mecánica cuántica
• Partícula en una caja• Átomo de hidrógeno y su espectro
•Átomos polielectrónicos•Propiedades periódicas
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•Enlace iónico•La energía de formación de un enlace iónico•Entalpía de red•Ciclo de Born-Haber•Radio iónico
•Enlace covalente•El enlace del par compartido•Teoría de Lewis•Regla del octeto•Resonancia•El enlace covalente coordinado
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•Estructura de las moléculas• La teoría de repulsión de los pares electrónicos de la capa de valencia (VSEPR)
•Enlaces polares•Concepto y escalas de electronegatividad•Polaridad de una molécula
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•Orbitales y enlaces químicos•La teoría de enlace de valencia•Hibridación de orbitales atómicos
Bibliografía•Cruz D., Chamizo J. A. y Garritz A.Estructura atómica: Un enfoque químico.Addison-Wesley Iberoamericana. México 1991•De la Selva T.De la alquimia a la químicaFondo de Cultura Económica. México 2000
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Definir los siguientes términos:
•Átomo•Molécula•Valencia•Estructura molecular•Peso atómico•Masa atómica•Tabla periódica
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Dalton (1766-1844)
Conceptos de átomos y moléculas
Antecedentes: Newton (mecánica clásica)Lavoisier (conservación de la materia)Priestley CavendishProustRichter
} Gases
} Primeras ideas deCombinación química
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Teoría atómica de Dalton (1808 y 1810)
•La materia está compuesta de partículas muy pequeñas (que no podemos ver)llamadas átomos.•Los átomos de un elemento son idénticos en todas sus propiedades.•Diferentes elementos están hechos a partir de diferentes átomos.•Los compuestos químicos se forman de la combinación de átomos de dos o máselementos, en un átomo compuesto.•Los átomos son indivisibles y conservan sus característicasdurante las reacciones químicas.•En cualquier reacción química, los átomos se combinan en proporcionesnuméricas simples. Por ejemplo, un átomo de A se combina con un átomo de B,dos de A con tres de B, y así sucesivamente.
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Actividad:•Discutir los conceptos que ahora prevalecen en la química.•Discutir las errores que contiene la teoría de Dalton.
http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/2001/robson/symbolspart1.htm
El concepto de átomo generó controversia!
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Gay-Lussac (1808)
Después de estudiar reacciones en gases concluye
..los gases se combinan siempre en la relación más simplecuando interactúan entre sí, siendo las relaciones 1:1, 1:2 y 1:3.
1 volumen de nitrógeno+3 volúmenes de hidrógeno=2 volúmenes de amoníaco1 volumen de oxígeno+2 volúmenes de hidrógeno=2 volúmenes de agua1 volumen de nitrógeno+1 volumen de oxígeno=1 volumen de monóxido de nitrógeno1 volumen de hidrógeno+1 volumen de cloro=1 volumen de cloruro de hidrógeno
Resultados nunca aceptados por Dalton%&$·/(@@##
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Tomemos el último ejemplo para mostrarel malestar de Dalton
H
+
Cl HCl HCl
¿Cuál sería la predicción de Dalton?
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Amadeo Avogadro (1776-1856)
Hipótesis de Avogadro•Los átomos de un gas pueden combinarse entre sí, formandomoléculas integrales (átomos compuestos) de dos o másátomos del mismo elemento.•Volúmenes iguales de diferentes gases deben de contenerel mismo número de moléculas.
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Uso de las ideas de Avogadro
H
+
Cl HCl HCl
En 1814 Ampère propuso ideas similares
Ambos investigadores fueron ignoradospor una vaca sagrada (Jans J. Berzelius)
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Experimentos electroquímicos
William Nicholson (1753-1815)Anthony Carlisle (1768-1840)
Agua + paso de corriente Hidrógeno + oxígeno
El enlace químico es de naturaleza eléctrica!!!!!!!
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Humphry Davy (1778-1829)
Lo que se le ponía enfrente
sales Sodio y Potasio
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Jans J. Berzelius (1779-1848)
Los átomos de los elementos son dipolos eléctricos conuna carga predominantemente positiva o negativa, exceptoel hidrógeno que es neutro.
Dipolo eléctrico +-
Expresión para un dipolo
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Electrostática del dipolo eléctrico
a
a
r
+Q
-Q
Recordar la ley deCoulomb
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Berzelius negaba la existencia de moléculas poliatómicascon átomos del mismo elemento ¿porqué?
Como los átomos tenían cargas eléctricas
HK O
Carga negativa
Sus ideas funcionaban bien en sales pero en compuestos orgánicos fallaban
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Compuestos orgánicos e inorgánicos
•Orgánicos: Formados a partir de una fuerza vital
•Inorgánicos: Gobernados por leyes químicas y físicasde la naturaleza no viviente
Experimento de Friedrich Wöhler 1828
Cianato de amonio(inorgánico)
Urea(orgánico)
Isómeros!!
Lectura en pag. 10
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Teoría de Tipos
Amoniaco
HHH
N
C2H5
HH
N
C2H5
C2H5
HN
Agua
HH
O C2H5
HO C2H5
C2H5
O
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HH
+ClCl =
HClHCl
+HClHCl
C2H5
H+
ClCl =
HCl
+C2H5
Cl
Hidrocarburos del tipo H2
Concepto de isómero!(problema 1.8 butano)
Hidrógeno
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Kolbe (1818-1884)
Fórmulas de los tipos a fórmulas estructuralesLa química como una ciencia básica
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Valencia
Edward Frankland (1825-1899)
Fundador de la organometálica
Leer cita en la página 14
Valencia: Poder de combinación
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Kekulé (1829-1896) y Couper (1831-1896)
Química orgánica estructural
Átomo de carbono tetravalente
Lectura de la página 18 y anécdota de Kekulé
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La Tabla Periódica
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La Tabla periódica
•Los pesos atómicos•Ley de Dulong y Petit•Ley del isomorfismo•La ley periódica
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Xe sobre Ni
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Xe sobre Ni
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Fe sobre Cu
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Descubrimiento del electrón1897 Rayos catódicos (relación m/e)J. J. Thomson
1909-1913 Carga del electrónMillikan
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Espectro electromagnético
=c
c=3x108 m/s
E=A sen2(x/-t)
=7800-6220(Å)..Rojo (encontrar la frecuencia)
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Radiación del cuerpo negro
Hipótesis de Planck (1900)La radiación se emite en paquetes de energíaE=n h
h=6.6262x10-34 J s Constante de Planck
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Explicación del efecto fotoeléctrico
Einstein (1905)
Las ondas se comportan como partículas con energíaE=h
La luz se comporta como onda y como partícula
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El núcleo atómico
Geiger y Marsden (1909)Partículas alfa sobre oro
Modelo de Rutherford (1911)
Inestabilidad del modelo planetario
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Espectros atómicos
Pags. 227 arriba o 28 abajo
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Modelo de Bohr
Pags. 230 arriba o 30 abajo
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Dualidad de la materia
De Broglie 1923
=h/p
p=m v; cantidad de movimiento
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La ecuación de Schrödinger (1926)
Intepretación física: Max Born (1927)
El cuadrado de la función de onda es el quetiene el sentido físico.
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Partícula en una caja
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Atomo de hidrógeno
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Principio de incertidumbre de Heisenberg (1927)
( x)(p)ħ/2
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Atomos de muchos electrones
Pauli (1925): Principio de exclusión. Existencia de 4números cuánticos.Ya se sabía de las ocupaciones en los átomos.
Regla de máxima multiplicidad
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Potencial de ionización
Afinidad electrónica
Propiedades electrónicas
Electronegatividad
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Enlace iónico
Propiedades macroscópicas:
•En forma sólida conducen bastante mal la electricidad•Al fundirse son buenos conductores (presencia de iones, noExiste una prueba contundente de que existen)•Los compuestos tienen puntos de fusión y ebullición altos•Son sustancias frágiles (separación mecánica)•Solubles en solventes polares.
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Formación del enlace iónico
Grupos IA, IIA y parte del IIIA
Grupos VIIA, VIA y el nitrógeno
Discutir propiedades atómicas
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Energía de Red cristalina
•Constante de Madelung•Ecuación de Born-Landé
pags. 276-287 arriba
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Estructura del NaCl
Cúbica centrada en la cara
Cloro
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Estructura del ClCs
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Blenda de Zinc
Azufre
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CaF2
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Ciclo de Born-Haber, pags. 287-290 arriba
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Radios iónicos
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rLi+rCl=257
rLi+rF=201
rCl-rF=56
A partir de las diferencias
Na+=Li++25 3 Obtener en clase
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K+=Na++32 2
Rb+=K++14 1
Cl-=F-+50 4
Br-=Cl-+16 1
I-=Br-+25 1
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- -
- -
+
r
r0
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El átomo según Lewis (1916) y Langmuir (1919)
pags. 215-231 y 259-275 de arriba
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Enlace covalente
•Para que exista el enlace covalente, el enlace iónico debede ser desfavorable. Por lo tanto, la energía del electrón enel átomo A debe de ser similar a la energía del electrón enel átomo B
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•Estructura de las moléculas
• La teoría de repulsión de los pares electrónicos de la capa de valencia (VSEPR)
El potencial electrostático para ver electrones
Polaridad en una molécula
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Potencial electrostático del agua
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NH3
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Benceno
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Orbitales moleculares
Molécula H2+
r
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La clasificación de orbitales es análoga a la delátomo de hidrógeno
Atomo Molécula s p d
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Para un valor de R se calcula la energía del sistema
R
E
R0
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Diagrama de contornos de la densidad electrónica
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Teoría de orbitales moleculares(combinación lineal de orbitales atómicos)
i
iiC
Para el H2+ usaremos dos funciones atómicas
Se busca al conjunto {Ci} que minimiza la energía
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Molécula H2
Cuando se combinan dos orbitales tipo s se tienen dosorbitales moleculares, cada uno con su respectiva energía
1
2
H H
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Orbital ocupado
-10 -5 5 10
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
-10 -5 0 5 10
-10
-5
0
5
10
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Orbital desocupado
-10 -5 5 10
0.02
0.04
0.06
0.08
-10 -5 0 5 10
-10
-5
0
5
10
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Orbitales tipo p
-10 -5 0 5 10
-10
-5
0
5
10
Orbital pz+pz
Orbitales moleculares para el He2 y N2
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La aproximación de Hartree-Fock
Función de onda que cumple con el principio de exclusión de Pauli
Ejemplo para el H2 y para el agua
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Análisis de los orbitales de Hartree-Fock
Teorema de Koopmans
HOMO
LUMO
Para el agua PI=12.6 eV
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Métodos semiempíricos