Enlace Iónico y Estructuras Cristalinas

Enlace Iónico

El sodio y el cloro uniéndose iónicamente para formar cloruro de sodio.

En química, el enlace iónico es la unión que resulta de la presencia de fuerzas de atracción electrostática entre los iones de distinto signo, es decir uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro fuertemente electronegativo (alta afinidad electrónica). Así pues se da cuando en el enlace uno de los átomos capta electrones del otro.

Dado que los elementos implicados tiene elevadas diferencias de electronegatividad, este enlace suele darse entre un compuesto metálico y uno no metálico. Se produce una transferencia electrónica total de un átomo a otro formándose iones de diferente signo. El metal dona uno o más electrones formando iones con carga positiva o cationes con una configuración electrónica estable. Estos electrones luego ingresan en el no metal, originando un ion cargado negativamente o anión, que también tiene configuración electrónica estable. Son estables pues ambos, según la regla del octeto adquieren 8 electrones en su capa mas exterior. La atracción electrostática entre los iones de carga opuesta causa que se unan y formen un compuesto.

Los compuestos iónicos forman redes cristalinas constituidas por iones de carga opuesta unidos por fuerzas electrostáticas. Este tipo de atracción determina las propiedades observadas. Si la atracción electrostática es fuerte, se forman sólidos cristalinos de elevado punto de fusión e insolubles en agua; si la atracción es menor, como en el caso del NaCl, el punto de fusión también es menor y, en general, son solubles en agua e insolubles en líquidos apolares como el benceno

Definición

Se denomina enlace iónico al enlace químico de dos o más átomos cuando éstos tienen una diferencia de electronegatividad de 1,7 ó mayor. Este tipo de enlace fue propuesto por W. Kossel en 1916.

En una unión de dos átomos por enlace iónico, un electrón abandona el átomo menos electronegativo y pasa a formar parte de la nube electrónica del más electronegativo. El cloruro de sodio (la sal común) es un ejemplo de enlace iónico: en él se combinan sodio y cloro, perdiendo el primero un electrón que es capturado por el segundo:

NaCl → Na⁺Cl^-

De esta manera se forman dos iones de carga contraria: un catión (de carga positiva) y un anión (de carga negativa). La diferencia entre las cargas de los iones provoca entonces una fuerza de interacción electromagnética entre los átomos que los mantiene unidos. El enlace iónico es la unión en la que los elementos involucrados aceptarán o perderán electrones.

En la solución, los enlaces iónicos pueden romperse y se considera entonces que los iones están disociados. Es por eso que una solución fisiológica de cloruro de sodio y agua se marca como "Na⁺ + Cl^-" mientras que los cristales de cloruro de sodio se marcan "Na⁺Cl^-" o simplemente "NaCl".

Características

Enlace iónico en el NaCl.

Algunas características de los compuestos formados por este tipo de enlace son:

• Son sólidos de estructura cristalina en el sistema cúbico.
• Altos puntos de fusión y ebullición.
• Son enlaces resultantes de la interacción entre los metales de los grupos I y II y los no metales de los grupos VI y VII.
• Son solubles en disolventes polares y aun así es muy baja.
• Una vez fundidos o en solución acuosa, sí conducen la electricidad.
• En estado sólido no conducen la electricidad. Si utilizamos un bloque de sal como parte de un circuito en lugar del cable, el circuito no funcionará. Así tampoco funcionará una bombilla si utilizamos como parte de un circuito un cubo de agua, pero si disolvemos sal en abundancia en dicho cubo, la bombilla, del extraño circuito, se encenderá. Esto se debe a que los iones disueltos de la sal son capaces de acudir al polo opuesto (a su signo) de la pila del circuito y por ello este funciona.

Clasificación

Los iones se clasifican en dos tipos:

a) Anión: Es un ión con carga negativa, lo que significa que los átomos que lo conforman tienen un exceso de electrones. Comúnmente los aniones están formados por no metales, aunque hay ciertos aniones formados por metales y no metales. Los aniones más conocidos son (el número entre paréntesis indica la carga):

• F(-) fluoruro.
• Cl(-) cloruro.
• Br(-) bromuro.
• I(-) yoduro.
• S(2-) sulfuro.
• SO4(2-) sulfato.
• NO3(-) nitrato.
• PO4(3-) fosfato.
• ClO(-) hipoclorito.
• ClO2(-) clorito.
• ClO3(-) clorato.
• ClO4(-) perclorato.
• CO3(2-) carbonato.
• BO3(3-) borato.
• MnO4(-) permanganato.
• CrO4(2-) cromato.
• Cr2O7(2-) dicromato.

b) Catión: Al contrario que los aniones, los cationes son especies químicas con déficit de electrones, lo que les otorga una carga eléctrica positiva. Los más comunes son formados a partir de metales, pero hay ciertos cationes formados con no metales.

• Na(+) sodio.
• K(+) potasio.
• Ca(2+) calcio.
• Ba(2+) bario.
• Mg(2+) magnesio.
• Al(3+) aluminio.
• Pb(2+) plomo(II) ó plumboso.
• Zn(2+) zinc (ó cinc).
• Fe(2+) hierro(II) ó ferroso.
• Fe(3+) hierro(III) ó férrico.
• Cu(+) cobre(I) ó cuproso (aunque en verdad, este ión es Cu2(2+)).
• Cu(2+) cobre(II) ó cúprico.
• Hg(+) mercurio(I) ó mercurioso (aunque en verdad, este ión es Hg2(2+)).
• Hg(2+) mercurio(II) ó mercúrico.
• Ag(+) plata.
• Cr(3+) cromo(III).
• Mn(2+) manganeso(II).
• Co(2+) cobalto(II) ó cobaltoso.
• Co(3+) cobalto(III) ó cobáltico.
• Ni(2+) níquel(II) ó niqueloso.
• Ni(3+) níquel(III) ó niquélico.
• NH4(+) amonio.
• NO2(+) nitronio.
• H3O(+) hidronio.

Estructura cristalina

Los elementos y sustancias químicas en estado líquido o gaseoso, tienen sus moléculas o átomos distribuidos al azar. Estos átomos o moléculas se mueven libremente por toda la masa cambiando constantemente la posición y la distancia relativa entre ellos. Cuando estos elementos o sustancias se solidifican, sus átomos y moléculas pueden colocarse espacialmente en una posición relativamente rígida en relación a sus vecinos, formando una estructura bien definida y repetitiva que se denomina cristal.
Las estructuras cristalinas no solo se producen durante la solidificación, también los cristales pueden "nacer" durante su formación producto de una reacción química, o desde la precipitación desde una disolución.
Si las condiciones ambientales durante la formación de los cristales es óptima, estos pueden producirse geométricamente perfectos, pero si estas condiciones (presión, temperatura velocidad de formación y pureza) no son óptimos, el grado de perfeccionamiento del cristal queda afectado e incluso puede desaparecer por completo.
Muchas sustancias puras pueden existir con estructuras cristalinas completamente diferentes dependiendo de las condiciones existentes a la hora de la formación del cristal, estas diferentes estructuras se conocen como formas alotrópicas. Así tenemos que el carbono por ejemplo, puede cristalizar como diamante, duro y transparente, como grafito, blando y negro, e incluso tener una formación amorfa como en el negro de humo.
Formas cristalinas las encontramos a diario sin necesidad de acudir a un museo. Una roca y una montaña están constituidos por minerales tan cristalinos como el azúcar de un terrón, un trozo de porcelana o el oro de un anillo. Sin embargo, sólo en ocasiones el tamaño de los cristales es lo suficientemente grande como para verse a simple vista y llamar nuestra atención.
El vidrio, contrario a la práctica común, no es un cristal, su estructura no está geométricamente organizada según patrones de posición relativa rígida, ni es repetitiva, más bien es un líquido sub-enfriado que ha adquirido el estado sólido.

La primera clasificación que se puede hacer de materiales en estado sólido, es en función de cómo es la disposición de los átomos o iones que lo forman. Si estos átomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino. Si los átomos o iones se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino ó amorfo.

Estructura cristalina de los materiales

Los materiales sólidos se pueden clasificar de acuerdo a la regularidad con que los átomos o iones están ordenados uno con respecto al otro. Un material cristalino es aquel en que los átomos se encuentran situados en un arreglo repetitivo o periódico dentro de grandes distancias atómicas; tal como las estructuras solidificadas, los átomos se posicionarán

de una manera repetitiva tridimensional en el cual cada átomo está enlazado al átomo vecino más cercano. Todos los metales, muchos cerámicos y algunos polímeros forman estructuras cristalinas bajo condiciones normales de solidificación.

Celda Unitaria.- es el agrupamiento más pequeño de átomos que conserva la geometría de la estructura cristalina, y que al apilarse en unidades repetitivas forma un cristal con dicha estructura.

Una celda unitaria se caracteriza por tres vectores que definen las tres direcciones independientes del paralelepípedo. Esto se traduce en siete parámetros de red, que son los módulos, a, b y c, de los tres vectores, y los ángulos α, β y γ que forman entre sí. Estos tres vectores forman una base del espacio tridimensional, de tal manera que las coordenadas de cada uno de los puntos de la red se pueden obtener a partir de ellos por combinación lineal con los coeficientes enteros.

La estructura cristalina de un sólido depende del tipo de enlace atómico, del tamaño de los átomos (o iones), y la carga eléctrica de los iones en su caso).

Existen siete sistemas cristalinos los cuales se distinguen entre sí por la longitud de sus aristas de la celda (llamados constantes o parámetros de la celda) y los ángulos entre los bordes de ésta. Estos sistemas son: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, romboédrica (o trigonal), hexagonal, monoclínico y triclínico.

Los diferentes sistemas cristalinos se forman por el apilamiento de capas de átomos siguiendo un patrón particular.

Un sólido cristalino la CAPA en el espacio de una estructura elemental paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de red, es decir, de las longitudes de los lados o ejes del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, se distinguen siete sistemas cristalinos:

a=b=c ; a=b=g=90º a=b¹c; a=b=g=90º a¹b¹c; a=b=g=90º

a1=a2=a3 a=b ¹ c; a=b=90º ; g =120º a¹b¹c; a = g = 90º ñb90º

a¹b¹c; a, g, b ¹ 90º

En función de las posibles localizaciones de los átomos en la celda unitaria se establecen 14 estructuras cristalinas básicas, las denominadas redes de Bravais.