Tema 2. El enlace iónico

Halita. Rob Lavinsky. Wikimedia CC

Salinas de Cabo de Gata. Almería

Imagen propia

Quizás la sustancia química más conocida por lagente después del agua, de algunos metales ydel oxígeno, sea la sal común. Aunquepopularmente se la conoce por sal, su nombrecientífico, como sabes, es cloruro de sodio y sufórmula, NaCl. La sal se utiliza probablementedesde la prehistoria. Nuestros antepasados sedarían cuenta de que los alimentos en contactocon la sal se mantenían durante más tiempo enbuenas condiciones y empezarían a utilizarlacomo conservante. En la península ibérica fueintroducida por los fenicios y los griegos, que lautilizaban para la salazón de pescado y para lafabricación de una salsa de pescado, el garum.

La sal común es una de las sustancias mineralesmás abundantes en la naturaleza. Se extrae delas minas en forma de un mineral llamado halitao se obtiene en las salinas por evaporación solardel agua del mar o de la salmuera. En Andalucíase producen al año 420.000 toneladas, el 30%de la obtenida en España, principalmente en lassalinas de Huelva, Cádiz y Almería.

Es la sustancia más utilizada como condimentoalimentario y, además, se utiliza comoconservante de la mantequilla, la margarina, elqueso y el pescado. También se usa para fundir la nieve y el hielo en las carreterasy en la producción de otras sustancias químicas (cloro, sodio, hidróxido de sodio,hidrógeno, carbonato de sodio, …).

El cloruro de sodio es un componente esencial en la dieta ya que se encuentra entodos los fluidos biológicos e interviene en la formación del jugo gástrico. Parece serque el consumo excesivo de sal puede estar relacionado con la hipertensión, que esun factor de riesgo para padecer enfermedades cardiovasculares. Por ello serecomienda a la población en general ingerir en torno a los 3 g de sal al día, frentea los 10 g de ingestión habitual en los países occidentales.

Pues bien, la sal común es el ejemplo típico de cristal iónico y se utiliza con mucha frecuenciacomo ejemplo para explicar el enlace iónico.

Como sabes, el cloruro de sodio está formado por sodio y cloro, es decir, por la unión entre unmetal y un no metal.

Como has estudiado en el tema anterior, todos los elementos químicos tienen tendencia aestabilizarse adquiriendo la configuración electrónica del gas noble más próximo en la tablaperiódica. Para ello unos elementos pierden electrones (los metales) y otros los ganan o loscomparten (no metales). Pero si un átomo pierde o gana electrones deja de ser neutro y adquiereuna carga neta que hace que presente propiedades eléctricas, es decir, que atraiga a partículas

Curiosidad

cargadas con signo opuesto y que repela a iones del mismo signo.

Como las fuerzas eléctricas se ejercen en todas las direcciones del espacio, cada ion se rodea deiones de signo contrario formando estructuras gigantes (redes o cristales), en las que se alternanlos iones positivos y negativos, de manera que se compensen sus cargas eléctricas dando lugar asustancias neutras.

A estas fuerzas eléctricas que mantienen unidos a los iones en estas estructuras gigantes de iones(cristales iónicos) las denominamos enlace iónico.

Eso haremos en este tema, utilizaremos el cloruro de sodio para que comprendas cómo se formaun cristal iónico y cuáles son sus propiedades características.

Aunque todavía no hemos hablado de esas propiedades, seguro que tu experiencia te ayuda aresponder correctamente el siguiente ejercicio.

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Sal. kevindolooley. Wikimedia. CC

Indica si las siguientes afirmaciones sobre el cloruro de sodio son verdaderas ofalsas:

a) No es soluble en agua.

b) Se presenta en forma de cristales.

c) Conduce la corriente eléctrica cuando estádisuelto en agua.

AV - Pregunta Verdadero-Falso

1. Formación de los iones

RECUERDA:

Los protones y electrones tienen una propiedad llamada carga eléctrica.

La carga de protones y electrones es diferente y por eso llamamos carga positiva a la de los protones y negatde los electrones.

Los neutrones no tienen carga.

Los protones y electrones se atraen entre sí porque tienen cargas de distinto signo.

Las partículas que tienen cargas del mismo signo, se repelen.

La fuerza que actúa entre los protones y los electrones es la fuerza eléctrica.

En un átomo el número de protones y de electrones coinciden y sus efectos eléctricos se compensan, no preseeléctricas.

Ya debes tener claro que los gases nobles son establesy por ello son los únicos elementos que se presentanen forma de átomos aislados. Esta estabilidad se debeal número de electrones que tienen en el último nivel;2 el Helio y 8 todos los demás.

Dominio público

Sabemos que en la naturaleza todo tiende hacia un estado de máxima estabilidad o, lo que es lomismo, de mínima energía. Por ejemplo, cuando colocamos a un niño en lo alto de un tobogán, sedesliza hacia abajo hasta llegar a su base, porque allí es más estable debido a que tiene menosenergía potencial (menos altura). Por el mismo motivo, un muelle estirado recupera por sí solo suforma inicial o una manzana se cae de su árbol.

Así, los átomos tienden a perder o a ganar electrones, para tener en su último nivel, el mismonúmero de ellos que el gas noble más próximo y ser más estable.

Un átomo de Na (11p+,11e-) tiene un electrón en su último nivel energético (Na:[Ne]3s1) y tiendea perderlo, ya que de esta manera, será estable como el neón y se transforma en un ion positivo

(catión) al tener un protón en exceso: Na+(11p+,10e-).

Un átomo de Cl (17p+,17e-) tiene 7 electrones en su último nivel (Cl:[Ne]3s23p5), por lo quetiene tendencia a captar un electrón para tener los mismos electrones que el Argón. Al hacerlo, se

transforma en un ion negativo (anión) por tener un electrón en exceso Cl-(17p+,18e-).

Cuando un metal pierde electrones, se transforma en un ion positivo o catión.

Si un no metal capta electrones, se transforma en un ion negativo o anión.

Fíjate en la tabla periódica e indica cual es la carga más probable del ion aluminio.

-3

+3

Importante

AV - Pregunta de Elección Múltiple

Indica el número de electrones que tiene el ion Ca+2.

20

8

18

10

Cuprita y Malaquita.

Minerales de Cu+1 y Cu+2.

Rob Lavinsky. Wikimedia. CC.

Los siguientes iones metálicos son ejemplos deiones estables, pero no tienen estructura de gasnoble:

Fe+3:[Ar]3d5

Cu+2:[Ar]3d9

Zn+2:[Ar]3d10

Ag+1:[Kr]4d10.

En realidad sólo cumplen la regla del octeto losiones de los metales de los grupos 1 y 2 de la

tabla periódica, el ion Al+3 y algún ion delcomienzo de los elementos de transición, como

el Sc+3, ya que necesitan perder pocoselectrones para alcanzar la configuración del gasnoble del periodo anterior. Los demás metalesno adquieren dicha configuración porque paraello necesitarían perder muchos electrones.

Entonces, ¿cómo pueden existir? ¿Quédetermina el número de electrones que pueden perder los átomos de estoselementos?

Los metales que originan iones que no cumplen la regla del octeto pierden algunoselectrones para tener una configuración más estable, aunque no puedan alcanzar laestructura de gas noble. Primero pierden los electrones del orbital "s" de su capa devalencia y después, los electrones de los orbirtales "d" que sean necesarios paraadquirir una carga concreta. No hay una regla para determinar la carga que puedetener cada ion. Un ion de un metal de transición va a existir si es estable elcompuesto que se forma cuando se une a un ion no metálico determinado.

Curiosidad

2. El enlace iónico

Fuerzas electrostáticas. Dna-Dennis. Wikimedia. CC.

Sabes que cuando frotamos unbolígrafo con un paño, puedeatraer pequeños trozos de papel.Los cuerpos sin frotar poseen elmismo número de protones quede electrones y se dice que soneléctricamente neutros. Sinembargo, cuando frotamos doscuerpos puede producirse unatransferencia de electrones entreellos, ganándolos uno yperdiéndolos el otro. Por ejemplo,si una varilla de plástico se frotacon un paño de lana, algunoselectrones pasan del paño a lavarilla. Cuando el proceso haterminado la lana tiene un excesode carga positiva, y la varilla, unexceso de carga negativa. En este caso, decimos que los dos cuerpos se hanelectrizado.

El primer estudio cuantitativo de las fuerzas eléctricas fue realizado por Coulomb en1784. Tras una serie de experimentos llegó a la conclusión de que la fuerza deatracción o repulsión entre dos cuerpos electrizados:

Disminuye con el cuadrado de la distancia. Es decir, si la distancia entre doscargas aumenta al doble la fuerza entre ellas se reduce a la cuarta parte.

Depende del grado de electrización de los cuerpos y del medio en queestuviesen las cargas. A mayor electrización de los cuerpos, mayor fuerzaeléctrica entre ellos.

Las sustancias iónicas se forman altransferirse electrones de un metal,que produce iones positivos, a unno metal, que da lugar a ionesnegativos. La cantidad de electronesintercambiados, depende delnúmero de electrones que sobran ofaltan para completar la capa másexterna en cada átomo.

Por ejemplo, ya hemos visto que elsodio tiene 2 electrones en elprimer nivel, 8 en el segundo y 1 enel tercero (Na: 2,8,1). Le sobra, por

tanto, un electrón para tener su último nivel completo como el Ne. En cambio, el cloro (Cl: 2,8,7)tiene 7 electrones en su último nivel y necesita un electrón para tener los mismos electrones que

Curiosidad

Cristal de NaCl

H. Hoffmeister. Wikimedia. CC.

el argón. Por eso, cada átomo de Na transfiere un electrón a un átomo de Cl y se forman los iones

Na+ (2,8) y Cl- (2,8,8), que son más estables que los átomos que los originan.

Formación de estructuras gigantes

Es importante que tengas en cuenta que no se forma un soloión de cada tipo. Observa la animación, en la que verás que elúnico electrón del nivel más externo de un átomo de sodiopasa a completar el último nivel de un átomo de cloro, con loque los dos cumplen la regla del octeto. Como puedes ver, seforma una gran cantidad de iones de ambos tipos, queinteraccionan eléctricamente entre ellos, atrayéndose los decarga de distinto signo y repeliéndose los de carga del mismosigno. Todos esos iones se ordenan regularmente en unaestructura gigante o cristal de forma cúbica, de manera quecuantos más iones se formen, porque se pone a reaccionar máscloro y más sodio, mayor será el cristal.

Si te fijas en el dibujo de la derecha verás que cada ion Na+

está rodeado de 6 iones Cl- y viceversa.

El tipo de ordenación de los iones se reproduce a escala macroscópica: observa los cristales de laimagen de la derecha, que tienen formas diferentes según sea la ordenación de los iones a escalamicroscópica.

Proyecto TIGER, Uso educativo Dr T, Creative commons

Si todavía no te ha quedado claro cómo se forma el enlace iónico, puedes ver el siguiente vídeo.

Llamamos enlace iónico a la unión, mediante fuerzas electrostáticas, de los ionesque se forman cuando los átomos de un metal ceden electrones a los átomos de unno metal. Dichas fuerzas, obligan a los iones a distribuirse en el espacio siguiendoun orden, formando estructuras gigantes o cristales.

Importante

AlxFy x= y=

MgxOy x= y=

MgxFy x= y=

AlxOy x= y=

Enviar

Indica la fórmula de los compuestos iónicos que se escriben a continuación. Paraello, fíjate en la tabla periódica y ten en cuenta que los compuestos iónicos sonneutros y que, por tanto, los electrones cedidos por cada átomo del metal tienenque coincidir con los que captan un número determinado de átomos del no metal.

Aunque ya sabes que el subindice "1" no se tiene que poner, en esta actividad lo

vamos a indicar para no darte pistas :

By Noodle snacks Wikimedia.CC.

Ya sabes que las sustancias iónicas estánconstituidas por iones ordenados formandoestructuras gigantes o cristales. Pero, ¿cómo seproduce esa ordenación? Podemos suponer quelos iones son esferas que están apiladas en elespacio originando los distintos tipos de cristales.Los iones del mismo signo (generalmente losaniones que suelen tener mayor tamaño), seapilan de manera que estén lo más cercaposible, como las naranjas de la fotografía,quedando entre ellos huecos que son ocupadospor los iones de signo contrario (los cationes).

Las estructuras de los cristales pueden ser dedistinto tipo dependiendo de la carga de los iones y de su tamaño. A continuación serepresentan algunas de ellas:

AV - Actividad de Espacios en Blanco

Curiosidad

Dominio público

3. ¿Por qué se forman los compuestos iónicos?

RECUERDA:

Ya hemos comentado que los átomos se unen entre sí para ser más estables, es decir, para que su energía sea

Para que esto ocurra se tiene que liberar energía.Lo comprenderás mejor con un ejemplo: si la energía de un sistema es de 1000 kJ y el sistema se vuelve más

estable porque su energía disminuye hasta 800 kJ, los 200 kJ restantes tendrán que ser liberados por el sistema.

Cambios de energía en la formación de 1 mol de NaCl

Para que comprendas por qué seforman los compuestos iónicos,vamos a estudiar las energíaspuestas en juego en la formacióndel cloruro de sodio a partir de suselementos.

A temperatura ambiente, el sodioes un sólido metálico que serepresenta por Na(s), y el cloro,un gas formado por moléculas enlas que se unen dos átomos decloro, Cl2(g):

Si te fijas en la reacción ajustada,por cada mol de Na reacciona 0,5mol de Cl2(g). Por eso vamos a

suponer que partimos de 23 g deNa (1 mol) y de 35,5 g de Cl2(g)

(0,5 mol).Lo primero que tenemos que haceres separar los átomos de Na sólidopara transformarlo en Na gaseoso,lo que requiere un aporte deenergía de 108 kJ. Tambiéntendremos que romper lasmoléculas de cloro para dar lugar

a un mol de átomos de cloro. Para que esto ocurra hay que aportar 121 kJ.

Separación de los átomos de sodio Variación de energía

∆E = + 108 kJ

Separación de los átomos de cloro Variación de energía

∆E = + 121 KJ

Si te das cuenta, vamos bastante mal, hasta ahora lo único que hemos hecho es aumentar laenergía del sistema al aportar 108 kJ + 121 kJ = 229 kJ. Pero todavía no hemos terminado. Elsiguiente paso será la formación de los iones.

Para ionizar los 23 g de Na(g) a Na+(g) necesitamos dar al sistema una energía de 502 kJ (la cosa

se pone todavía peor), aunque en la formación de un mol de iones Cl- se liberan 354 kJ:

Ionización del sodio Variación de energía

∆E= + 502 kJ

Ionización del cloro Variación de energía

∆E= - 354 kJ

Pero todavía la energía que tenemos que comunicar al sistema 108 kJ +121 kJ +502 kJ = 731 kJes mayor que la energía que se libera (354 kJ) en 377 kJ (731 kJ - 354 kJ = 377 kJ).

Entonces, ¿por qué se fórma el NaCl?.

Como ya hemos visto, debido a que las fuerzas electrostáticas se ejercen en todas las direccionesdel espacio, cada ion se rodea de iones de signo contrario formándose una estructura gigante (red

o cristal). Pues bien, cuando los iones Cl-(g) y Na+(g) se unen para formar 1 mol de cristal deNaCl(s), se produce una disminución de la energía de 788 kJ debido a las fuerzas de atracción yrepulsión entre ellos:

Formación de la red Variación de energía

∆E = -788 kJ

A esta energía se denomina ENERGÍA DE RED O ENERGÍA RETICULAR, y es la que hace queel cambio total de energía sea negativo y se liberen 411 kJ (377 kJ - 788 kJ = - 411 kJ), y que elNaCl(s) sea más estable que el Na(s) y el Cl2(g) por separado:

Formación de un mol de NaCl(s) a partir de suselementos

Cambio total de energía

∆E= +108 kJ + 121kJ + 502 kJ - 354 kJ-788 kJ = -411 kJ

La energía que se libera en la formación de un mol del cristal a partir de sus iones en estadogaseoso, tiene que ser igual a la energía que tenemos que aplicar para separar totalmente losiones de un mol del cristal. Por tanto, la energía reticular se puede definir de las dos maneras:

La ENERGÍA RETICULAR es aquella que se desprende cuando se forma un mol deun compuesto iónico sólido a partir de sus iones en estado gaseoso y totalmenteseparados.

O bien:

La ENERGÍA RETICULAR es aquella que hay que suministrar a un mol de uncompuesto iónico sólido para separar totalmente sus iones.

En general podemos decir que la energía reticular depende de la carga de los iones y de sutamaño. Cuanto mayor sean las cargas de los iones y menor sea su tamaño (y, por tanto, ladistancia que los separa), mayor será la fuerza que actúa entre ellos y la energía que tenemosque comunicar para separarlos, es decir, la energía de red.Las sales que se componen de iones pequeños con cargas eléctricas grandes, tienen normalmenteenergías de red más altas.

Importante

La energía reticular depende de la carga y del tamaño de los iones.

A mayor carga y menor tamaño, mayor energía reticular y viceversa.

Fíjate en los radios y en las cargas de los iones que se representan en la figura, eindica qué sal de las siguientes tendrá mayor energía reticular.

NaCl

CaCl2

CsCl

RbCl

AV - Pregunta de Elección Múltiple

4. ¿Qué propiedades presentan loscompuestos iónicos?

Sabes que el agua tiene unas propiedades especialesque hacen que sea esencial para la vida. Una de estascaracterísticas es su gran polaridad. La molécula deagua, como verás en el tema siguiente, tiene forma deángulo y un exceso de carga negativa en el átomo deoxígeno (polo negativo) y de carga positiva en losátomos de hidrógeno (polo positivo). Debido a lapresencia de estos dos polos eléctricos es por lo quedecimos que la molécula de agua es polar (tiene polos).

Como veremos a continuación esos polos son losresponsables de que los sólidos iónicos se puedan disolver en agua.

Otros ejemplos de disolventes polares son el etanol y la acetona.

Seguro que conoces algunas de las propiedades de los compuestos iónicos por tu experiencia en lavida cotidiana, sobre todo con la sal de cocina (NaCl). Sabes que el NaCl se disuelve en agua; quetiene un punto de fusión alto (si añades sal a una sartén y calientas verás que no se funde);quizás sepas que no conduce la corriente eléctrica cuando está en estado sólido, pero sí cuandoestá disuelta o fundida (por eso la electricidad debe estar alejada del agua del grifo que contienesales disueltas); que es una sustancia dura y frágil (probablemente esto no lo tengas tan claro,pero lo entenderás cuando expliquemos brevemente todas sus propiedades.

Muchas propiedades de los sólidos iónicos están relacionadas con su energía reticular. La energíareticular de los cristales iónicos es grande porque la fuerza de atracción electrostática entre loscationes y aniones es fuerte y, por tanto, se necesita mucha energía para superar esta atracción yseparar a los iones.

En general, los cristales iónicos presentan las siguientes propiedades:

SON DUROS. La durezaes la oposición de un cuerpoa ser rayado. Para poderrayar un cristal, tenemosque hacer que se desprendade él una pequeña cantidaddel mismo, y para que estoocurra tenemos que romperenlaces. Pero como lasfuerzas de atracción entrelos mismos son grandes nolo conseguiremos confacilidad.

TIENEN PUNTOS DEFUSIÓN Y EBULLICIÓN

Curiosidad

ALTOS. Para fundir uncristal iónico hay queseparar los iones que formanla red cristalina. Cuandocalentamos un cristal,aumenta la vibración de losiones que se encuentranordenados en el cristal,aumentando la energía delos mismos. Como la energíareticular es grande,tendremos que calentarmucho para que los ionesadquieran la energíasuficiente para vencer laatracción electrostática entreellos. Así pues, hay unarelación directa entre laenergía reticular y el puntode fusión, siendo éste tantomás elevado cuanto mayores el valor de aquella.

Los cristales iónicos son frágiles

SE DISUELVEN ENDISOLVENTES POLARES.Como hemos visto en laCuriosidad de arriba, haysustancias como el aguacuyas moléculas mantienenuna separación de cargas,presentando una zona concarga negativa (polonegativo) y otra con cargapositiva (polo positivo). Alañadir una sal a undisolvente polar, las fuerzasde atracción electrostáticashacen que las moléculas deldisolvente se orientenrodeando a los iones de lasuperficie de cristal, demanera que sus polos seaproximen a los iones designo contrario, lo queproduce una liberación deenergía. Si esta energía esmayor que la energíareticular, los iones se vanseparando de la redrodeados de moléculas dedisolvente. La solubilidad delos compuestos iónicosdepende, por tanto, del valorde la energía reticular y dela polaridad de las moléculasdel disolvente. Esto haceque el cloruro de sodio seamuy soluble en agua y queel cloruro de plata no lo sea.

CONDUCEN LACORRIENTE ELÉCTRICAFUNDIDOS Y ENDISOLUCIÓN. Para queuna sustancia puedaconducir la electricidad, debecontener partículas cargadas(electrones o iones) que sepuedan mover libremente.En los sólidos iónicos, losiones ocupan unasposiciones fijas en el cristaly sólo pueden vibrar entornoa esas posiciones, pero notienen libertad demovimiento. Sólo cuandoestán disueltos o fundidoslos iones son libres paramoverse y conducir laelectricidad.

SON FRÁGILES. Lossólidos iónicos sonquebradizos por que si se lesaplica una fuerza, se puedeproducir el enfrentamientode iones del mismo signodebido al desplazamiento decapas de iones. Las fuerzasde repulsión entre estosiones provocarían la roturadel cristal.

Los compuestos iónicos presentan, en general, las siguientes propiedades:

Tienen puntos de fusión y ebullición altos.

Se disuelven bien en disolventes polares como el agua.

No conducen la corriente eléctrica en estado sólido, pero sí la conducenfundidos o en disolución.

Son duros.

Son frágiles.

Importante

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

- El óxido de magnesio (MgO) tiene un punto de fusión menor que el cloruro desodio (NaCl).

- La temperatura de fusión del fluoruro de cesio es menor que la del fluoruro de

sodio, ya que el radio de Na+ es menor que el radio del Cs+.

- El óxido de aluminio (Al2O3) es menos soluble en agua que el cloruro de sodio

(NaCl).

- Los compuestos iónicos conducen la corriente eléctrica.

- Al disolver NaCl en agua, los átomos se transforman en iones.

AV - Pregunta Verdadero-Falso