Saltar al contenido

Estructura y Propiedades de Compuestos

AP Química · Tema 2

Entrenar
Lección de video para este tema Abrir la página de video
8:45

Estructura y propiedades de los compuestos

Tres sólidos en un banco. Sal de mesa. Un diamante. Un trozo de cobre. Golpea la sal con un martillo y se hace pedazos. El diamante raya casi cualquier cosa. El…

Narración en inglés · Subtítulos en inglés + 中文 quemados en pantalla

2.1

Tipos de Enlaces Químicos

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.1.A: Explicar la relación entre el tipo de enlace y las propiedades de los elementos que participan en el mismo.

  • 2.1.A.1 Los valores de electronegatividad de los elementos representativos aumentan al moverse de izquierda a derecha a través de un período y disminuyen al descender por un grupo. Estas tendencias pueden comprenderse cualitativamente a través de la estructura electrónica de los átomos, el modelo de capas y la ley de Coulomb.
  • 2.1.A.2 Los electrones de valencia compartidos entre átomos con electronegatividades similares constituyen un enlace covalente no polar. Por ejemplo, los enlaces entre carbono e hidrógeno son efectivamente no polares, aunque el carbono sea ligeramente más electronegativo que el hidrógeno.
  • 2.1.A.3 Los electrones de valencia compartidos entre átomos con desigual electronegatividad constituyen un enlace covalente polar.
    • i. El átomo con mayor electronegatividad desarrollará una carga parcial negativa en relación con el otro átomo del enlace.
    • ii. En los enlaces simples, mayores diferencias en electronegatividad conducen a mayores dipolos de enlace.
    • iii. Todos los enlaces polares tienen algo de carácter iónico, y la distinción entre enlace iónico y covalente no es nítida, sino más bien un continuo.
  • 2.1.A.4 La diferencia en electronegatividad no es el único factor para determinar si un enlace debe designarse como iónico o covalente. Generalmente, los enlaces entre un metal y un no metal son iónicos, y los enlaces entre dos no metales son covalentes. El examen de las propiedades de un compuesto es la mejor manera de caracterizar el tipo de enlace.
  • 2.1.A.5 En un sólido metálico, los electrones de valencia de los átomos metálicos se consideran deslocalizados y no asociados a ningún átomo individual.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Cristales de cloruro sódico: los sólidos iónicos forman una red de iones con cargas opuestas
Cristales de cloruro sódico: los sólidos iónicos forman una red de iones con cargas opuestas

Un enlace químico es una atracción que mantiene unidos a los átomos. El tipo de enlace que se forma depende de las electronegatividades de los átomos:

Enlace iónico: un metal transfiere sus electrones externos a un no metal
Enlace iónico: un metal transfiere sus electrones externos a un no metal
  • Enlace iónico: transferencia de electrones desde un metal hacia un no metal (gran diferencia de electronegatividad).
  • Enlace covalente: los no metales comparten electrones (pequeña diferencia). Una diferencia grande, pero no excesiva, da lugar a un enlace covalente polar.
  • Enlace metálico: los átomos metálicos comparten un "mar" de electrones móviles.
Cristal de diamante: las redes covalentes gigantes explican la extrema dureza y los altos puntos de fusión
Cristal de diamante: las redes covalentes gigantes explican la extrema dureza y los altos puntos de fusión
Explorar

Formar un enlace iónico por transferencia de electrones

Un enlace iónico se forma cuando un metal cede electrones a un no metal, creando iones de carga opuesta que se atraen; un enlace covalente comparte electrones en su lugar.

2.2

Fuerzas Intramoleculares y Energía Potencial

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.2.A: Representar la relación entre la energía potencial y la distancia entre átomos, basándose en los factores que influyen en la fuerza de interacción.

  • 2.2.A.1 Una gráfica de energía potencial frente a la distancia entre átomos (distancia internuclear) es una representación útil para describir las interacciones entre átomos. Estas gráficas ilustran tanto la longitud de enlace de equilibrio (la separación entre átomos a la cual la energía potencial es mínima) como la energía de enlace (la energía necesaria para separar los átomos).
  • 2.2.A.2 En un enlace covalente, la longitud del enlace está influenciada tanto por el tamaño del núcleo atómico como por el orden de enlace (es decir, simple, doble o triple). Los enlaces con mayor orden son más cortos y tienen mayores energías de enlace.
  • 2.2.A.3 La ley de Coulomb puede utilizarse para comprender la fuerza de las interacciones entre cationes y aniones.
    • i. Dado que la fuerza de interacción es proporcional a la carga de cada ion, cargas más grandes conducen a interacciones más fuertes.
    • ii. Dado que la fuerza de interacción aumenta a medida que disminuye la distancia entre los centros de los iones (núcleos), iones más pequeños dan lugar a interacciones más fuertes.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

A medida que dos átomos se acercan, una curva de energía potencial captura el equilibrio entre atracción y repulsión. Desciende hasta un mínimo en la longitud de enlace (la separación estable), cuya profundidad corresponde a la energía de enlace. Los enlaces más cortos y fuertes se sitúan en pozos más profundos y estrechos; mayor número de pares compartidos (dobles o triples enlaces) dan lugar a enlaces más cortos y fuertes.

2.3

Estructura de Sólidos Iónicos

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 2.3.A: Representar un sólido iónico mediante un modelo particulado que sea consistente con la ley de Coulomb y las propiedades de los iones constituyentes.

  • 2.3.A.1 Los cationes y aniones en un cristal iónico están dispuestos en una matriz tridimensional sistemática y periódica que maximiza las fuerzas de atracción entre cationes y aniones, al tiempo que minimiza las fuerzas de repulsión.
    • Afirmación de exclusión: El conocimiento de estructuras cristalinas específicas no es esencial para comprender el objetivo de aprendizaje y no será evaluado en el Examen AP.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un sólido iónico es una roja tridimensional repetitiva de cationes y aniones alternados, mantenida por fuerte atracción electrostática. Esto explica sus altos puntos de fusión, fragilidad y por qué solo conducen electricidad cuando están fundidos o disueltos (iones liberados para moverse). La energía reticular aumenta con mayores cargas iónicas e iones más pequeños, por lo que el MgO (ambos $2+/2-$) tiene un punto de fusión mucho más alto que el NaCl (ambos $1+/1-$).

Los iones se empaquetan en una gran red de iones positivos y negativos alternados
Los iones se empaquetan en una gran red de iones positivos y negativos alternados
Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
lattice/ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé
delocalized/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 离域 lí yù
2.4

Estructura de Metales y Aleaciones

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.4.A: Representar un sólido metálico y/o una aleación mediante un modelo para mostrar las características esenciales de la estructura y las interacciones presentes en la sustancia.

  • 2.4.A.1 El enlace metálico puede representarse como una disposición de iones metálicos positivos rodeados por electrones de valencia deslocalizados (es decir, un "mar de electrones").
  • 2.4.A.2 Las aleaciones intersticiales se forman entre átomos de radios significativamente diferentes, donde los átomos más pequeños ocupan los espacios intersticiales entre los átomos más grandes (p. ej., en el acero, donde el carbono ocupa los intersticios del hierro).
  • 2.4.A.3 Las aleaciones sustitucionales se forman entre átomos de radios comparables, donde un átomo sustituye a otro en la red cristalina (p. ej., en ciertas aleaciones de latón, otros elementos, generalmente zinc, sustituyen al cobre).

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

En un metal, los cationes se sitúan en una red bañada por electrones deslocalizados, lo que explica la conductividad, maleabilidad y brillo. Una aleación mezcla metales: una aleación sustitucional intercambia átomos de tamaño similar; una aleación intersticial (como el acero) encaja átomos pequeños en los huecos, haciéndola más dura.

Átomos de diferente tamaño en una aleación impiden que las capas se deslicen, por lo que es más dura
Átomos de diferente tamaño en una aleación impiden que las capas se deslicen, por lo que es más dura
Enlace metálico: iones positivos en un mar de electrones deslocalizados
Enlace metálico: iones positivos en un mar de electrones deslocalizados
Cobre nativo: el enlace metálico proporciona un sólido brillante y maleable con electrones deslocalizados
Cobre nativo: el enlace metálico proporciona un sólido brillante y maleable con electrones deslocalizados
Explorar

Deslizar capas en una red metálica

Un metal consiste en iones positivos en un mar de electrones deslocalizados. Las capas pueden deslizarse sin romper el enlace, por lo que los metales son maleables y conductores.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
chemical bond/ˈkemɪkl bɒnd/ 化学键 huà xué jiàn
Ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/ 离子键 lí zi jiàn
Covalent bond/ˈkəʊvələnt bɒnd/ 共价键 gòng jià jiàn
polar covalent/ˈpəʊlə ˈkəʊvələnt/ 极性共价 jí xìng gòng jià
Metallic bond/məˈtælɪk bɒnd/ 金属键 jīn shǔ jiàn
potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 势能 shì néng
bond length/bɒnd leŋθ/ 键长 jiàn zhǎng
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
ionic solid/aɪˈɒnɪk ˈsɒlɪd/ 离子固体 lí zi gù tǐ
alloy/ˈælɔɪ/ 合金 hé jīn
Lewis diagram/ˈluːɪs ˈdaɪəɡræm/ 路易斯结构 lù yì sī jié gòu
lone pairs/ləʊn peəz/ 孤对电子 gū duì diàn zi
2.5

Diagramas de Lewis

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 2.5.A: Representar una molécula mediante un diagrama de Lewis.

  • 2.5.A.1 Los diagramas de Lewis pueden construirse siguiendo un conjunto establecido de principios.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un diagrama de Lewis muestra los electrones de valencia como pares de enlace y pares libres, otorgando a la mayoría de los átomos un octeto (8 electrones de valencia; H desea 2). Pasos: contar el total de electrones de valencia, conectar los átomos con enlaces simples, completar los octetos en los átomos externos y luego formar enlaces múltiples si el átomo central está corto.

Diagramas de puntos y cruces muestran los pares de enlace y los pares libres en una molécula
Diagramas de puntos y cruces muestran los pares de enlace y los pares libres en una molécula

Ejemplo resuelto. Dibuje el dióxido de carbono, $\text{CO}_2$. Total de electrones de valencia $=4+2(6)=16$. Coloque C en el centro; los enlaces simples a cada O usan $4$ electrones y dejan a los átomos O externos con poco. Completar los octetos fuerza dos dobles enlaces, $\text{O}=\text{C}=\text{O}$: cada O entonces tiene dos pares libres, C no tiene ninguno, y los $16$ electrones están colocados con cada átomo en un octeto.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
octet/ɒkˈtet/ 八隅体 bā yú tǐ
resonance/ˈrezənəns/ 共振 gòng zhèn
Formal charge/ˈfɔːml tʃɑːdʒ/ 形式电荷 xíng shì diàn hè
2.6

Resonancia y Carga Formal

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.6.A: Representar una molécula mediante un diagrama de Lewis que tenga en cuenta la resonancia entre estructuras equivalentes o que utilice la carga formal para seleccionar entre estructuras no equivalentes.

  • 2.6.A.1 En los casos en los que se puede construir más de una estructura de Lewis equivalente, la resonancia debe incluirse como un refinamiento de la estructura de Lewis. En muchos de estos casos, este refinamiento es necesario para proporcionar predicciones cualitativamente precisas de la estructura molecular y las propiedades.
  • 2.6.A.2 La regla del octeto y la carga formal pueden utilizarse como criterios para determinar cuál de varios diagramas de Lewis válidos posibles proporciona el mejor modelo para predecir la estructura molecular y las propiedades.
  • 2.6.A.3 Al igual que con cualquier modelo, existen limitaciones en el uso del modelo de la estructura de Lewis, especialmente en casos con un número impar de electrones de valencia.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Cuando dos o más diagramas de Lewis válidos difieren únicamente en la colocación de los electrones, la estructura real es un promedio – resonancia. La carga formal (electrones de valencia menos electrones de pares libres menos la mitad de los electrones de enlace) selecciona la mejor estructura: aquella con cargas formales más cercanas a cero, y cualquier carga negativa sobre el átomo más electronegativo.

Ejemplo resuelto. Asigne cargas formales en el ion nitrato, $\text{NO}_3^{-}$ (un doble enlace, dos enlaces simples). Para N (4 enlaces, sin pares libres): $5-0-4=+1$. Para el O con doble enlace (2 pares libres): $6-4-2=0$. Para cada O con enlace simple (3 pares libres): $6-6-1=-1$. El total es $+1+0+(-1)+(-1)=-1$, coincidiendo con la carga global del ion – una buena comprobación de que la estructura está dibujada correctamente. Dado que los tres átomos O son equivalentes por resonancia, el ion real tiene tres enlaces idénticos.

2.7

VSEPR e Hibridación de Enlaces

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.7.A: Basándose en la relación entre diagramas de Lewis, teoría VSEPR, órdenes de enlace y polaridades de enlace:

  • i. Explicar las propiedades estructurales de las moléculas.

  • ii. Explicar las propiedades electrónicas de las moléculas.

  • 2.7.A.1 La teoría VSEPR utiliza la repulsión coulombiana entre electrones como base para predecir la disposición de los pares de electrones alrededor de un átomo central.

  • 2.7.A.2 Tanto los diagramas de Lewis como la teoría VSEPR deben utilizarse para predecir las propiedades electrónicas y estructurales de muchas moléculas con enlaces covalentes e iones poliatómicos, incluyendo lo siguiente:

    • i. Geometría molecular (lineal, trigonal plana, tetraédrica, piramidal trigonal, angular, bipyramidal trigonal, forma de balanza, T-shaped, octaédrica, piramidal cuadrada, plano cuadrado)
    • ii. Ángulos de enlace
    • iii. Energías relativas de enlace basadas en el orden de enlace
    • iv. Longitudes relativas de enlace (enlaces múltiples, efectos del radio atómico)
    • v. Presencia de un momento dipolar
    • vi. Hibridación de orbitales de valencia para átomos dentro de una molécula o ion poliatómico
  • 2.7.A.3 Los términos "hibridación" y "orbital atómico hibrido" se utilizan para describir la disposición de electrones alrededor de un átomo central. Cuando el átomo central está hibridado $sp$, sus ángulos de enlace ideales son $180°$; para átomos hibridados $sp^2$ los ángulos de enlace son $120°$; y para átomos hibridados $sp^3$ los ángulos de enlace son $109.5°$.

    • Afirmación de exclusión: No se evaluará en el Examen AP el entendimiento de la derivación y representación de orbitales hibridados. El curso incluye la distinción entre enlace sigma y pi, el uso de VSEPR para explicar las formas de las moléculas y la nomenclatura $sp$, $sp^2$ y $sp^3$.
    • Afirmación de exclusión: No se evaluará en el Examen AP la hibridación que involucra orbitales d. Cuando un átomo tiene más de cuatro pares de electrones rodeando al átomo central, los estudiantes solo son responsables de la forma resultante de la molécula.
  • 2.7.A.4 La formación de enlaces está asociada con la superposición entre orbitales atómicos. En enlaces múltiples, dicha superposición conduce a la formación de enlaces sigma y pi. La superposición es más fuerte en los enlaces sigma que en los enlaces pi, lo cual se refleja en que los enlaces sigma tienen mayor energía de enlace que los enlaces pi. La presencia de un enlace pi también impide la rotación del enlace y conduce a isómeros geométricos.

    • Afirmación de exclusión: Se recomienda la teoría de orbitales moleculares como una forma de proporcionar una visión más profunda sobre el enlace. Sin embargo, el Examen AP ni evaluará explícitamente diagramas de orbitales moleculares, el llenado de orbitales moleculares ni la distinción entre orbitales de enlace, no enlace y antienlace.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

VSEPR: formas moleculares

La teoría VSEPR predice la forma: los pares de electrones (enlaces y pares libres) alrededor de un átomo central se distribuyen lo más lejos posible entre sí. Contar los dominios electrónicos da la geometría (lineal, trigonal plana, tetraédrica, …); los pares libres empujan los enlaces más cerca, doblando la forma. La hibridación ($sp$, $sp^2$, $sp^3$) describe los orbitales híbridos que coinciden con esa geometría. La forma molecular y la polaridad del enlace deciden conjuntamente si toda la molécula es polar.

Hibridación y forma: sp3 tetraédrica, sp2 plana, sp lineal
Hibridación y forma: sp3 tetraédrica, sp2 plana, sp lineal
Las formas comunes de VSEPR y sus ángulos de enlace
Las formas comunes de VSEPR y sus ángulos de enlace

Ejemplo resuelto. Prediga la forma del amoníaco, $\text{NH}_3$. El nitrógeno tiene $3$ pares de enlace y $1$ par libre – cuatro dominios electrónicos, por lo que la geometría electrónica es tetraédrica y la hibridación es $sp^3$. El par libre es invisible en la forma pero aún empuja los enlaces juntos, por lo que la forma molecular es piramidal trigonal con un ángulo de enlace de aproximadamente $107^{\circ}$ (un poco menos que el ideal $109.5^{\circ}$). Los tres dipolos N–H no se cancelan, por lo que la molécula es polar.

Los enlaces se forman cuando los orbitales atómicos se superponen. Cada enlace simple es un enlace sigma – orbitales superpuestos frontalmente a lo largo de la línea que une los dos átomos. Un enlace múltiple añade un enlace pi, formado por orbitales $p$ que se superponen lateralmente por encima y por debajo de esa línea: un doble enlace es uno sigma + uno pi, un triple enlace uno sigma + dos pi. La superposición frontal es más efectiva, por lo que un enlace sigma es más fuerte (mayor energía de enlace) que un enlace pi – lo cual explica por qué un doble enlace es más fuerte que un enlace simple pero no el doble de fuerte. Un enlace pi también bloquea la rotación de los dos átomos alrededor del enlace; por lo tanto, un doble enlace C=C tiene formas cis y trans fijas – isómeros geométricos que un enlace simple con rotación libre nunca podría mostrar.

Ejemplo resuelto. Cuente los enlaces en el eteno, $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$. Los cuatro enlaces C–H son enlaces simples (uno sigma cada uno); el C=C es uno sigma más uno pi. Así que el eteno tiene 5 enlaces sigma y 1 enlace pi, y ese único enlace pi es exactamente lo que impide que los extremos $\text{CH}_2$ giren uno respecto al otro.

Explorar

Predecir la forma molecular con VSEPR

VSEPR: los pares de electrones se repelen y se separan tanto como sea posible, determinando la forma de la molécula. Añada pares de enlace y pares solitarios y observe cómo cambia la geometría.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
VSEPR/ˈvespə/ 价层电子对互斥 jià céng diàn zi duì hù chì
Hybridization/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 杂化 zá huà
sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ σ键 σ jiàn
pi bond/paɪ bɒnd/ π键 π jiàn
geometric isomers/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˈaɪsəməz/ 几何异构体 jǐ hé yì gòu tǐ
2.7

Consejos para el examen

  • Decida el tipo de enlace según los átomos: iónico (metal + no metal, transferencia de electrones), covalente (no metales, compartir), metálico (mar de electrones deslocalizados).
  • Un sólido iónico solo conduce cuando está fundido o disuelto (iones libres para moverse), nunca como sólido.
  • Dibuje estructuras de Lewis para satisfacer el octeto (H desea 2), luego use VSEPR – los pares de electrones se separan lo máximo posible – para predecir la forma.
  • Los pares libres ocupan espacio y empujan los enlaces más cerca, doblando la forma (el agua es angular, el amoníaco piramidal).
  • Una molécula puede tener enlaces polares pero ser globalmente no polar si su simetría hace que los dipolos se cancele ($\text{CO}_2$).
  • Un enlace simple es 1 enlace sigma; un doble enlace es 1 sigma + 1 pi, un triple enlace 1 sigma + 2 pi. Sigma es más fuerte que pi, y un enlace pi bloquea la rotación, dando isómeros geométricos cis/trans.

Lecciones interactivas sobre este tema

Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.

Exámenes Anteriores

Más temas en AP Química

Iniciar sesión o crear cuenta

IGCSE, A-Level & AP