En esta lección
Llévatelo
- Diapositivas de la lección (en inglés) (PDF)
- Hoja de práctica (próximamente)
Pregunta esencial
¿Cómo cambia la energía cuando dos átomos forman un enlace?
Intramolecular significa dentro de una molécula, así que este tema trata de las fuerzas dentro de un enlace que mantienen unidos a dos átomos. Al terminar esta lección, deberías poder leer una gráfica de energía potencial, hallar la longitud y la energía de enlace, y explicar qué hace más fuerte a un enlace o a una atracción entre iones.
El video está en inglés. ¿El video no carga? Míralo en YouTube.
Fuerzas entre dos átomos
- Cada núcleo atrae los electrones del otro átomo.
- Los dos núcleos se repelen entre sí.
- Los electrones se repelen entre sí.
Las cargas opuestas se atraen y las cargas iguales se repelen. Que se forme o no un enlace depende del balance entre estas atracciones y repulsiones, y la mejor manera de ver ese balance es con una gráfica de energía potencial.
Energía potencial frente a la distancia
- La gráfica muestra cómo cambia la energía potencial (EP) a medida que dos átomos se acercan.
- El eje x es la distancia internuclear, la distancia entre los centros de los dos núcleos (pm). El eje y es la energía potencial (kJ/mol).
- Muy separados: los átomos no interactúan, así que EP = 0.
- Menor EP = más estable.
Esta curva es de dos átomos de hidrógeno que forman H2. Como la curva baja por debajo de cero, los dos átomos juntos son más estables que dos átomos separados. Por eso se forma el enlace.
Lectura de la curva
Lee la gráfica de derecha a izquierda, a medida que los dos átomos se acercan.
- Muy separados: no hay atracción ni repulsión, así que la EP es casi cero.
- Más cerca: la atracción es más fuerte que la repulsión, así que la EP baja.
- Demasiado cerca: los núcleos se repelen con fuerza, así que gana la repulsión y la EP sube bruscamente.
En el punto más bajo de la curva, la atracción y la repulsión están tan balanceadas como pueden estar. Ahí es donde los átomos se asientan en un enlace.
Longitud de enlace y energía de enlace
- Longitud de enlace: la distancia internuclear en la que la EP es más baja.
- Energía de enlace: la energía necesaria para separar los átomos, medida desde cero hasta el fondo del pozo.
Para el H2, la longitud de enlace es 74 pm y la energía de enlace es 436 kJ/mol. La energía de enlace siempre se reporta como un número positivo, porque hay que agregar energía para romper un enlace.
Consejo para el examen: un pozo más profundo significa un enlace más fuerte.
El orden de enlace afecta la longitud de enlace
El orden de enlace es el número de pares de electrones compartidos entre dos átomos: 1 para un enlace sencillo, 2 para un enlace doble y 3 para un enlace triple.
- Mayor orden de enlace → enlace más corto y más fuerte.
- Más electrones compartidos entre los núcleos significa una atracción más fuerte que acerca más los núcleos.
- Un enlace doble no es exactamente el doble de fuerte que un enlace sencillo (614 kJ/mol, no 2 × 347 = 694 kJ/mol), así que no te limites a multiplicar.
El orden de enlace en una gráfica de EP
- Más a la izquierda → enlace más corto
- Pozo más profundo → enlace más fuerte
El mínimo del enlace triple C≡C está más a la izquierda (enlace más corto) y su pozo es mucho más profundo (enlace más fuerte) que los del enlace sencillo C–C. En el examen AP, es posible que te pidan comparar o dibujar curvas como estas.
El tamaño del átomo afecta la longitud de enlace
- Átomos más grandes → enlaces más largos
- Enlaces más largos → normalmente más débiles
Al bajar por el grupo de los halógenos, los átomos se hacen más grandes porque tienen más niveles de energía con electrones (un núcleo atómico más grande). Los núcleos no pueden acercarse tanto, así que la longitud de enlace crece de 92 pm a 127 pm y a 161 pm. Los electrones compartidos están más lejos de los núcleos, así que la energía de enlace baja de 567 a 431 y a 299 kJ/mol.
Ley de Coulomb
Para comparar qué tan fuerte se atraen un catión y un anión, usa la ley de Coulomb:
F ∝ q1q2 / r2
- q1 = carga del catión
- q2 = carga del anión
- r = distancia entre los núcleos (de centro a centro)
Cargas más grandes o una r más pequeña → atracción más fuerte. Como r está elevada al cuadrado, la distancia hace una gran diferencia. Cuando dos iones se tocan, estima r sumando el radio del catión y el radio del anión.
Cargas más grandes, atracción más fuerte
- Distancia (r) parecida
- Cargas más grandes → atracción más fuerte
El NaF y el CaO tienen casi la misma r (unos 235 pm y 240 pm). Pero el producto de las cargas en el NaF es (1)(1) = 1, mientras que en el CaO es (2)(2) = 4. Un producto de cargas cuatro veces mayor con casi la misma distancia significa una atracción mucho más fuerte en el CaO. Los datos coinciden: el NaF se funde a unos 990 °C, mientras que el CaO se funde a unos 2600 °C.
Iones más pequeños, atracción más fuerte
- Mismas cargas
- Iones más pequeños → r más pequeña → atracción más fuerte
El NaF y el NaI tienen cargas de +1 y −1. El ion yoduro es mucho más grande que el ion fluoruro porque tiene más niveles de energía con electrones, así que r es mayor: unos 322 pm para el NaI frente a unos 235 pm para el NaF. Una r mayor significa una atracción más débil, así que el NaI se funde a solo unos 660 °C, en comparación con unos 990 °C del NaF.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Lectura de una gráfica de EP
La gráfica muestra la energía potencial frente a la distancia internuclear para el Cl2. Estima la longitud de enlace y la energía de enlace.
Mostrar la solución
- Encuentra el mínimo: ubica el punto más bajo de la curva. Esa es la distancia más estable entre los dos átomos de cloro.
- Revisa la escala: las líneas numeradas suben de 100 en 100 (pm o kJ/mol), y las líneas claras de cuadrícula intermedias van cada 50.
- Lee el valor de x: baja en línea recta desde el mínimo hasta el eje x. Cae en unos 200 pm. Esta es la longitud de enlace.
- Lee el valor de y: ve en línea recta desde el mínimo hasta el eje y. Cae un poco arriba de −250, en unos −240 kJ/mol.
- Encuentra la energía de enlace: la profundidad del pozo desde cero hasta el mínimo es de unos 240 kJ/mol. Repórtala como número positivo, porque es la energía que debes agregar para romper el enlace.
- Respuesta: longitud de enlace ≈ 200 pm, energía de enlace ≈ 240 kJ/mol. Los valores aceptados son 199 pm y 242 kJ/mol, así que estas estimaciones son muy buenas. Incluye siempre las unidades en las dos respuestas.
Ejemplo 2: Comparación de dos enlaces
Las curvas X y Y muestran el N2 y el F2. ¿Qué curva representa al N2? Justifica tu respuesta.
Mostrar la solución
- Encuentra los órdenes de enlace: cada átomo de N tiene 5 electrones de valencia, así que el N2 tiene un enlace triple (orden de enlace = 3). Cada átomo de F tiene 7 electrones de valencia, así que el F2 tiene un enlace sencillo (orden de enlace = 1).
- Relaciona con la longitud y la fuerza del enlace: mayor orden de enlace → enlace más corto y más fuerte. Por lo tanto, el N2 tiene el enlace más corto y más fuerte.
- Relaciona con la gráfica: un enlace más corto pone el mínimo más a la izquierda, y un enlace más fuerte hace el pozo más profundo.
- Respuesta: N2 = curva X (mínimo más a la izquierda y un pozo mucho más profundo).
Ejemplo de justificación para el examen: La curva X es el N2. El N2 tiene un enlace triple, mientras que el F2 tiene un enlace sencillo. Un orden de enlace mayor da un enlace más corto y más fuerte, así que la curva del N2 tiene su mínimo a una distancia menor y un pozo más profundo. Decir solo que X es más profunda no basta; tienes que explicar por qué.
Ejemplo 3: Uso de la ley de Coulomb
Usa la ley de Coulomb para estimar cuántas veces es más fuerte la atracción en el MgO que en el NaCl. Radios iónicos: Na+ = 102 pm, Cl− = 181 pm, Mg2+ = 72 pm, O2− = 140 pm.
Mostrar la solución
- Encuentra r para cada compuesto: suma los radios del catión y del anión. r(NaCl) = 102 + 181 = 283 pm y r(MgO) = 72 + 140 = 212 pm.
- Ecuación: F ∝ q1q2 / r2. Usa el tamaño de cada carga e ignora los signos, ya que solo nos interesa qué tan fuerte es la atracción.
- NaCl: (1)(1) / (283)2 = 1 / 80,089 = 1.25 × 10−5
- MgO: (2)(2) / (212)2 = 4 / 44,944 = 8.90 × 10−5
- Divide: (8.90 × 10−5) ÷ (1.25 × 10−5) ≈ 7.1. Como es una razón, las unidades se cancelan.
- Respuesta: la atracción en el MgO es unas 7 veces más fuerte que en el NaCl.
- Dale sentido: solo por las cargas, el MgO es 4 veces más fuerte, y la menor distancia añade un factor de (283 ÷ 212)2 ≈ 1.8. Como 4 × 1.8 ≈ 7, los dos efectos se suman. Esa es una razón importante por la que el MgO se funde a unos 2800 °C, mientras que el NaCl se funde a unos 800 °C.
Práctica
La hoja de práctica llegará pronto.
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- EP más baja → longitud de enlace.
- Profundidad del pozo → energía de enlace.
- Mayor orden de enlace → enlace más corto y más fuerte.
- Cargas más grandes e iones más pequeños → atracción más fuerte.
De vuelta a la pregunta esencial: a medida que dos átomos se acercan, las atracciones bajan la energía potencial hasta que los átomos llegan al punto más bajo de la curva. Esa distancia es la longitud de enlace, y la profundidad del pozo es la energía de enlace. Si se acercan más, las repulsiones hacen que la energía se dispare. A continuación, el Tema 2.3 usa estas ideas para explicar la estructura de los sólidos iónicos.
Alineación con AP
Esta lección cubre el Tema 2.2, Fuerza intramolecular y energía potencial, de la Unidad 2 (Estructura y propiedades de los compuestos) de la Descripción del curso y del examen (CED, por sus siglas en inglés) de AP Chemistry del College Board. Objetivo de aprendizaje:
- 2.2.A: Representar la relación entre la energía potencial y la distancia entre átomos, con base en los factores que influyen en la fuerza de la interacción.
Conocimiento esencial: 2.2.A.1, 2.2.A.2, 2.2.A.3
Habilidad sugerida: 3.A Representación de datos y fenómenos. Representar fenómenos químicos con técnicas de graficación adecuadas, incluyendo la escala y las unidades correctas.