El concepto de enlace químico y la regla del octeto.
NIVEL 1:
La mayoría de los átomos solo quieren ser felices, como tú.
En química, un átomo feliz es un átomo con una capa atómica completa.
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Mantendré esto muy simple y lo explicaré usando una analogía con los pollos.
Supón que eres un pollo y tienes varios huevos. En nuestro hipotético mundo de las gallinas tienes los polluelos y las gallinas normales.
- Los pichones son tan pequeños que pueden manejar hasta 2 huevos.
- Las gallinas adultas pueden contener hasta 8 huevos .
Algunas gallinas realmente grandes pueden contener aún más huevos, pero prometí hacerlo simple, así que, por el simple argumento, sigamos con los “polluelos de 2 huevos” y los “pollos de 8 huevos” normales)
Ahora presentamos el concepto de un pollo feliz .
Un pollo feliz es un pollo con solo 8 huevos, no 9, no 7; solo 8. (Obviamente, los pollitos están contentos con 2 huevos).
Algunas gallinas tienen demasiados huevos, digamos uno o dos extra. Algunos otros pollos están realmente cerca de su estado de huevo ideal y tienen solo unos pocos números de huevo cortos (por ejemplo, 2 u 8).
Esos pollos irían buscando otras gallinas que quisieran renunciar a un huevo o dos.
Ahora comienza la diversión. Tienes diferentes puntos fuertes en los pollos. Dependiendo de cuán fuerte se compare cada pollo con el otro pollo, tomarán el huevo y huirán. Llamamos a esos huevos iónicos .
Pero a veces las gallinas tienen casi la misma fuerza. En ese caso, incluso si cada pollo intenta tirar y huir con un huevo, no sucederá: el otro pollo es demasiado fuerte.
Si se tratara de humanos, esto terminaría con una lucha continua para tomar el control de los huevos, pero nuestras gallinas hipotéticas son animales inteligentes, se les ocurrió una solución simple: simplemente comparten los huevos.
Ambos tienen la responsabilidad de sus huevos comunes. (Esos huevos se llaman huevos covalentes ).
Los huevos se pueden compartir con otro pollo, pero a veces los pollos forman una verdadera comunidad de pollos y los huevos se comparten con múltiples pollos. Pueden hacer huevos compartidos individuales, pero a veces comparten 2 o incluso 3 huevos entre sí.
Al final, cada pollo solo quiere ser un pollo feliz y todos quieren tener 8 (o 2) huevos que realmente no les importa si necesitan compartirlos.
Puede preguntar cómo sabremos que algunas gallinas comparten huevos y otras no. No hay una buena respuesta a esa pregunta, pero un gallo realmente importante del mundo de los pollos (también conocido como Rooster Linus Pauling ) midió la fortaleza de todas las familias de pollos. Él llamó a esto la escala de negatividad del huevo.
Con base en esta escala, puede calcular la diferencia de sus negatividades de huevo, y así sabrá si los huevos se comparten o no. A veces los huevos están muy bien en el medio, pero hay muchos casos en los que los huevos son en realidad casi completamente ‘ propiedad’ de uno de los pollos. Pero está bien, las gallinas solo quieren ser felices.
Hay una familia especial de pollos en particular: los pollos de carbono . Normalmente tienen solo 4 huevos. Como necesitan 4 huevos adicionales para ser gallinas felices y casi ninguna otra familia de pollos quiere regalar gran parte de sus huevos, los pollos de carbono aprendieron a ser realmente buenos para compartir huevos con otras gallinas de carbono. De hecho, son muy buenos para compartir huevos con casi cualquier otra familia de pollos.
¡Los pollos de carbono son los pollos más flexibles del mundo!
Para concluir: Happy Chickens.
(Las imágenes provienen de 1 y 2)
NIVEL 2: (bajo) nivel de posgrado
- La unión iónica es la transferencia completa de electrones de valencia entre átomos.
- La unión covalente es el intercambio de electrones de valencia entre átomos
- Enlace metálico compartido de electrones libres en una estructura reticular de cationes (cargados positivamente).
La diferencia entre un enlace iónico y covalente a menudo se explica en términos de electronegatividad.
No voy a repetir la historia completa y la explicación. Ver, por ejemplo, electronegatividad.
En resumen: Linus Pauling fue el primero en poner la electronegatividad en una escala cuantitativa y la describió como “el poder de un átomo en una molécula para atraer electrones hacia sí mismo”.
Solo quiero discutir brevemente algunos aspectos que todavía se les enseñan a los estudiantes y, en mi opinión, hacer más daño que bien.
En una educación química temprana, a menudo usan un valor arbitrario de 1.7 como diferencia mínima en la electronegatividad para tener un enlace iónico. Obviamente eso es una simplificación excesiva.
En este contexto, a menudo encontrará el llamado triángulos de enlace van Arkel Ketelaar . Agregué una versión revisada adaptada de Jenssen (J. Chem. Educ. 395-398, 72, 1995)
Fuente: triángulos van Arkel-Ketelaar
Visualiza la transición progresiva de enlaces metálicos, covalentes e iónicos idealizados . Lo principal que los estudiantes deben recordar de este triángulo es que es un continuo, la mayoría de los químicos no son 100% covalentes ni 100% iónicos.
El valor de 1.7 mencionado anteriormente en realidad corresponde a una estimación del propio Pauling: una diferencia mayor que 1.7 daría un enlace que es predominantemente iónico.
O usando la fórmula de Pauling para calcular el carácter iónico
[matemáticas] (1-e ^ {- (\ Delta \ chi / 2) ^ 2}) \ veces 100 \% [/ matemáticas]
[matemática] \ Delta \ chi [/ matemática] es la diferencia en electronegatividad: un valor de 1.7 da 51.4%
Espero que esté de acuerdo en que establecer el límite al 50% es bastante arbitrario.
Si hablo con los primeros estudiantes de química, casi nunca escucho ese matiz crítico. Pero no tienen la culpa: el concepto no se explica correctamente.
Configuración OCTET
No quiero discutir la mecánica cuántica. Así que voy a postular la regla del octeto como regla general.
La idea de que los átomos se unen entre sí para lograr octetos porque quieren ser ‘estables’ o ‘ felices’ (sic) es obviamente una descripción incorrecta o vaga. (No soy biólogo, aunque estaría de acuerdo en que los animales, como los pollos, pueden ser felices, los elementos no tienen sentimientos).
Un enlace químico es el resultado de la suma de interacciones electrostáticas atractivas y repulsivas entre varios núcleos cargados positivamente y varios electrones cargados negativamente.
Si observamos el cloruro de sodio, la explicación simplista sería que el ión cloruro y el catión sodio se forman para lograr la configuración del octeto. Pero en realidad esto solo sucederá en la solución, la razón principal sería a través de interacciones con el solvente.
El NaCl sólido no tiene iones discretos: forma una red cristalina gigante.
El problema con la regla del octeto comienza cuando los estudiantes usan esta regla para construir algunas moléculas basadas en estructuras de puntos de Lewis: muchos libros de texto solo cubren el enlace covalente muy simple entre dos átomos. Los llamados enlaces 2c – 2e (2 entradas, 2 enlaces electrónicos ) y a menudo usan explicaciones incorrectas para explicar lo que está sucediendo.
Tome una molécula muy simple: el ion sulfato.
Usemos una sección de un enlace aleatorio
A continuación se muestran cuatro distribuciones de enlaces con las cargas formales de todos los átomos. Estas estructuras difieren solo en el número de dobles enlaces en el átomo central de azufre.
En ausencia de cualquier otro tipo de información, elegiríamos la estructura C porque tiene el conjunto más bajo de cargos formales. Elegiríamos la estructura C en lugar de la estructura D (que tiene el mismo conjunto de cargas formales) porque es poco probable que una carga negativa resida en el azufre, que es menos electronegativo que el oxígeno.
Puede notar que la estructura que hemos elegido es hipervalente, con más de un octeto de electrones alrededor del átomo central. Esto es aceptable porque los d-orbitales de azufre pueden participar en la unión.
Podría haber elegido otro: ver, por ejemplo, enlace, o Sulfato – Wikipedia, pero apuesto a que el 95% de los estudiantes de química aprendieron que la estructura C es la forma “correcta” de representar el ion sulfato. El azufre tiene dos enlaces dobles y, por lo tanto, tiene 12 electrones de valencia en lugar del octeto ‘normal’, pero “el azufre está usando sus orbitales d ‘, así que está bien”.
¿Qué pasaría si le dijera que la Estructura A es probablemente la representación más predominante del ion sulfato? De hecho, es totalmente compatible con la regla del octeto, no necesita ninguna explicación hipervalente (o, por amor de Dios, d-orbitales) y mi declaración está respaldada con múltiples artículos sobre el tema: de hecho, utilizando cálculos de mecánica cuántica alrededor del 68% de verdad La estructura se puede representar utilizando la configuración de octeto normal (¡así que la estructura A! ) (23% puede estar representado por 12 estructuras equivalentes; 1.9% cada una) [1]
Nota: la estructura con el oxígeno completamente separado es solo una representación. (¡Puede que no sea una buena idea incluir eso en cursos anteriores de química!)
También en otras moléculas relativamente simples como PF5 , todavía están usando el enlace tradicional 2c-2e y cuando dibujes las estructuras de puntos de Lewis de esa molécula obtendrás algo como:
El fósforo tiene 10 electrones en lugar de 8.
Pero solo les dicen a los estudiantes: ‘ P puede usar sus d-orbitales, así que está bien’
De hecho, según V alence S hell electron P air R esulsion M odel (teoría VSEPR), los electrones son promovidos a los orbitales d vacíos
Se supone que forman 5 orbitales híbridos sp3d y esto explica la formación de una bipirámide trigonal.
Una vez más, solo un pequeño problema : los cálculos de la mecánica cuántica muestran que los d-orbitales no son necesarios.
Para explicar este tipo de estructuras adecuadamente, puede incluir otros tipos de enlaces en este caso un enlace 3c-4e (3 c enter, 4 e lectron).
- Ecuatorial: 3 sp2 ‘normal’ orbitales híbridos (un enlace 2c – 2e)
- Axial: superposición del orbital p no hibridado de P (que contiene 2 electrones) y dos orbitales de Fluor que contienen un electrón cada uno dando un enlace 3c – 4e
Esquema CHEM241 Notas del curso – 3
Sé que este tipo de enlaces es un poco controvertido, pero se puede usar un tipo similar de enlace para explicar especies deficientes en electrones como BF3: un enlace lectron 3 c enter 2 e (o 3c-2e ).
Además, no estoy afirmando que necesites explicar este tipo de vinculación en los primeros cursos de química:
Entiendo que una teoría es solo una teoría y, en la mayoría de los casos, comienza con modelos simples que deben revisarse o tratarse con mayor profundidad en los años siguientes. Pero en mi opinión, no es una buena idea discutir una teoría que está mal o en las palabras del autor de este artículo [ref 2]
Aunque la idea de la hibridación spd es lo suficientemente simple para que los estudiantes de química general la comprendan y funciona bien para describir la unión en moléculas hipervalentes, es fundamentalmente defectuosa y, por lo tanto, debe eliminarse del plan de estudios de química general.
Entonces, mi consejo sería que sea simple: el concepto de una estructura de Lewis es una muy buena herramienta educativa. Pero deje absolutamente claro que tiene sus desventajas. Además, en las primeras clases de química, sin duda evitaría moléculas hipervalentes o deficientes en electrones; hay mucho tiempo para explicarlos en años posteriores.
Otras lecturas
[1] Sobre el papel de la hibridación orbital d en el plan de estudios de química
[2] Libro de texto común y tergiversaciones de enseñanza de las estructuras de Lewis
[3] ¿Cuán relevantes son los enlaces dobles S = O y P = O para la descripción de las moléculas de ácido H2SO3, H2SO4 y H3PO4, respectivamente?
[4] Perdido en las estructuras de Lewis: una investigación de las dificultades de los estudiantes para desarrollar la competencia representativa
[5] Aplicaciones de la teoría de enlace de valencia acoplado por rotación
Esta es una combinación más o menos de dos de mis primeras respuestas.
Respuesta del usuario de Quora a ¿Por qué hay PCl5 pero no NCl5?
Respuesta del usuario de Quora a ¿Por qué un enlace covalente está formado por compuestos orgánicos?
Fue divertido reutilizar la analogía del ‘huevo y la gallina’, aunque me doy cuenta de que cada simplificación tiene su propio inconveniente.
Como nota al margen, también me doy cuenta de que la química no es tan popular en Quora: realmente no sé por qué, así que no estoy seguro de si esta respuesta tiene algún valor. Pero si un maestro de química lo lee (¿Dave ?, ¿Abeeha?) Y lo usa en sus clases, sería una persona realmente ‘feliz’.