domingo, 7 de abril de 2013

3.3.2.2 Energía reticular



La energía reticular, también conocida como energía de red, es la energía que se necesita para poder separar de manera completa un mol de un compuesto de tipo iónico en sus respectivos iones gaseosos. También se puede decir que la energía reticular es la energía que se consigue a través de la formación de un compuesto de tipo iónico partiendo siempre de sus iones gaseosos.
Este tipo de energía muestra la estabilidad que tiene las redes cristalinas, y viene medida como energía/mol, teniendo las mismas unidades de medida que tiene la entalpía estándar (∆Hº), es decir KJ/mol, aunque de signo opuesto.
La energía reticular es imposible de medir de forma directa, sin embargo, conociendo la estructura y la composición que tenga el compuesto iónico que queramos estudiar, podemos calcular o al menos aproximarnos a ella mediante una ecuación que da el modelo iónico, basado en la Ley de Coulomb, entre otras. También existe la posibilidad de calcular la energía reticular de manera indirecta mediante los ciclos termodinámicos.

El modelo iónico es aquel que se encuentra formado por cationes y aniones a través de fuerzas electrostáticas, siempre que estemos hablando del estado sólido. Este caso concreto es válido solamente si existe bastante diferencia de electronegatividad entre los elementos que forman el compuesto.
En un sólido iónico, los electrones se encuentran localizados en los correspondientes iones, estando bajo la influencia solamente de sus respectivos núcleos. No hay deslocalización de los electrones como podría ocurrir en el caso de los sólidos de tipo metálicos, ni siquiera hay compartición de electrones como en el caso de los sólidos de tipo covalente. La localización de los electrones tiene como consecuencia la no conducción de la corriente eléctrica para los sólidos iónicos, pero si son aislantes.

La ecuación que viene tras aplicar dicho modelo es:
Uo = -( Na . A . Z^+ . Z^- .q^2 ) / 4πєo . do . ( 1-1/n)
De donde Na es el número de Avogadro y A es la constante de Madelung, la cual varía según la estructura que tenga el compuesto iónico en estudio, Z^+ es decir la carga del catión y en el caso negativo la carga del anión. La carga del electrón viene representada con la letra q, єo es la permisividad del vacío, do la distancia que existe entre el anión y el catión, y por último n, hace referencia a los exponentes de Born.
La energía reticular se puede conocer de manera experimental indirectamente a través de la aplicación de la ley de Hess (caso particular del primer principio de la termodinámica). Cuando se usa este caso se conoce como ciclo de Born-Haber, el cual consiste en examinar un ciclo termodinámico que es resultado de considerar la energía que participa en la formación del compuesto iónico de tipo sólido, así como también se puede explicar como la energía a partir de los elementos que forman el compuesto estándar, o aquella que se transfiere en la formación de los compuestos partiendo siempre de los elemento que se encuentran en estado estándar pero siguiendo un camino distinto que está formado por diferentes etapas:
1.    

En primer lugar el proceso de formación de los átomos que se encuentran en estado gaseoso partiendo de los elementos siempre en su estado estándar. En este paso por regla general se tiene en cuenta las energías que se encuentran asociadas a la sublimación, y vaporización de los distintos elementos que forman el compuesto, y por lo tanto dependerá del estado de agregación en el que se encuentren cada uno de ellos.
2.     En la segunda etapa tiene lugar la formación de iones estables, los cuales se encuentran en el retículo iónico del cual parten los elementos que se encuentran en estado gaseoso. En este paso se encuentran implicadas la energía de ionización, así como la afinidad electrónica de los elementos implicados.
3.     En el tercer paso tiene lugar la formación de la red cristalina partiendo de los iones gaseosos y estables. La energía que se desprende cuando se forma un compuesto partiendo de un metal y de un no metal.

3.3.2.1 Estructura

La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación.

3.3.2 Redes cristalinas.


La red cristalina está formada por iones de signo opuesto, de manera que cada uno crea a su alrededor un campo eléctrico que posibilita que estén rodeados de iones contrarios. 
Los sólidos cristalinos mantienen sus iones prácticamente en contacto mutuo, lo que explica que sean prácticamente incompresibles. Además, estos iones no pueden moverse libremente, sino que se hallan dispuestos en posiciones fijas distribuídas desordenadamente en el espacio formando retículos cristalinos o redes espaciales. Los cristalógrafos clasifican los retículos cristalinos en siete tipos de poliedros llama sistemas cristalográficos. En cada uno de ellos los iones pueden ocupar los vértices, los centros de las caras o el centro del cuerpo de dichos poliedros. El más sencillo de éstos recibe el nombre de celdilla unidad.

Uno de los parámetros básicos de todo cristal es el llamado índice de coordinación que podemos definir como el número de iones de un signo que rodean a un ion de signo opuesto. Podrán existir, según los casos, índices diferentes para el catión y para el anión.

El índice de coordinación, así como el tipo de estructura geométrica en que cristalice un compuesto iónico dependen de dos factores:
• Tamaño de los iones. El valor del radio de los iones marcará las distancias de equilibrio a que éstos se situarán entre sí por simple cuestión de cabida eni espacio de la red.

• Carga de los iones. Se agruparán los iones en la red de forma que se mantenga la electroneutralidad del cristal.

3.3.1 Formación y propiedades de los compuestos iónicos



Los compuestos que contienen enlaces iónicos están formados por iones positivos y negativos dispuestos unos con respecto a los otros en forma regular en un enrejado cristalino, cuando los compuestos son sólidos. 

La atracción entre los iones es de naturaleza electrostática y se extiende igualmente en todas direcciones.
Los compuestos iónicos en solución o en estado fundido pueden conducir la corriente eléctrica en forma importante.

En un cristal iónico, los iones están atrapados en sitios fijos en la red cristalina, estos no pueden migrar y por lo tanto no pueden conducir la corriente eléctrica.

En cuanto a la solubilidad: los compuestos iónicos son generalmente solubles en agua y en disolventes polares, esto es, disolventes con alta constante dieléctrica.

La fusión de compuestos iónicos implica necesariamente el rompimiento de la red cristalina, esto requiere una considerable energía de tal manera que los puntos de fusión y de ebullición son generalmente altos, y los compuestos son muy duros.

PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS IONICOS

Son sólidos cristalinos que exhiben elevados puntos de fusión y ebullición
Son solubles en agua y presentan el fenómeno de disociación
En solución y fundidos son capaces de conducir la corriente eléctrica
Comparación de algunas propiedades comunes de un compuesto ionico y un compuesto covalente:
Propiedad
NaCl
CCl4
Aspecto
Sólido blanco
Liquido incoloro
Punto de fusión (°C)
801
-23
Calor molar de fusión (kj/mol)
30.2
2.5
Punto de ebullición(°C)
1413
76.5
Calor molar de vaporización(kj/mol)
600
30
Densidad (g/cm )
2.17
1.59
Solubilidad en agua
Alta
Baja
Conductividad eléctrica


Sólido
Pobre
Pobre
liquido
Buena
Pobre

3.3 Enlace iónico


Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos (especialmente los situados más a la izquierda en la tabla periódica -períodos 1, 2 y 3) se encuentran con átomos no metálicos (los elementos situados a la derecha en la tabla periódica -especialmente los períodos 16 y 17).

En este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal, transformándose en  iones positivos y negativos, respectivamente. Al formarse iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas las llamamos enlaces iónicos.

3.2.1.3 Teoría del Orbital Molecular


Según la teoría del orbital molecular (TOM) los orbitales de los átomos que se enlazan se solapan dando lugar a una serie de orbitales extendidos a toda la molécula (orbitales moleculares). 

El proceso de solapamiento, por tanto, no sólo afecta a la capa de valencia sino a todas las capas de los átomos enlazados.

Al igual que en la teoría del enlace de valencia, la extensión del solapamiento está relacionada con la intensidad del enlace y, además, dependiendo de que se produzca frontal o lateralmente, se formarán orbitales moleculares de tipo sigma o pi. 

Cada pareja de orbitales atómicos que se solapen formará una pareja de orbitales moleculares, uno enlazante y otro antienlazante, que pueden contener hasta dos electrones con espines opuestos.
El orden de enlace se obtiene restando el número de electrones en orbitales enlazante y no enlazante y dividiendo por dos.

3.2.1.2 Hibridación y Geometría molecular