Las propiedades químicas del átomo están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y la disposición de los electrones. La configuración de estos electrones se deriva de los principios de la mecánica cuántica y del principio de exclusión de Pauli . El número de electrones en las capas de electrones de cada elemento, particularmente la capa de valencia más externa, es el factor principal para determinar su comportamiento de enlace químico. Un enlace químico es una atracción duradera entre estos átomos, iones o moléculas que permite la formación de compuestos químicos. El enlace puede resultar de la fuerza de atracción electrostática entre iones con carga opuesta, como en los enlaces iónicos, o mediante el intercambio de electrones, como en los enlaces covalentes. por lo tanto, elLa fuerza electromagnética juega un papel importante en la determinación de las propiedades internas de la mayoría de los objetos que se encuentran en la vida diaria. En los sólidos se encuentran tres tipos diferentes de enlaces primarios o químicos:
Enlaces intramoleculares
- Enlace iónico . Un enlace iónico es un enlace químico, en el que uno o más electrones se transfieren por completo de un átomo de un elemento al átomo del otro, y los elementos se mantienen unidos por la fuerza de atracción debida a la polaridad opuesta de la carga. Este tipo de enlace químico es típico entre elementos con una gran diferencia de electronegatividad.
- Enlace covalente . Un enlace covalente es un enlace químico formado por electrones compartidos. Los electrones de valencia se comparten cuando un átomo necesita electrones para completar su capa exterior y puede compartir esos electrones con su vecino. Los electrones son entonces parte de ambos átomos y ambas capas se llenan.
- Enlace metálico . Un enlace metálico es un enlace químico, en el que los átomos no comparten ni intercambian electrones para unirse. En cambio, muchos electrones (aproximadamente uno por cada átomo) tienen más o menos libertad para moverse por todo el metal, de modo que cada electrón puede interactuar con muchos de los átomos fijos.
Enlaces intermoleculares
- Enlace molecular. Cuando los electrones de los átomos neutros pasan más tiempo en una región de su órbita, existirá una carga débil temporal. La molécula atraerá débilmente a otras moléculas. Esto a veces se denomina enlaces de van der Waals o moleculares.
- Enlace de hidrógeno . Un enlace de hidrógeno puede ser intermolecular (que ocurre entre moléculas separadas) o intramolecular (que ocurre entre partes de la misma molécula). El enlace de hidrógeno es una fuerza de atracción principalmente electrostática entre un átomo de hidrógeno (H) que está unido covalentemente a un átomo o grupo más electronegativo.
La fuerza de los enlaces químicos varía considerablemente; existen " enlaces primarios " o " enlaces fuertes " como los enlaces iónicos, covalentes y metálicos, y " enlaces débiles " o " enlaces secundarios " como las interacciones dipolo-dipolo, la fuerza de dispersión de London y los enlaces de hidrógeno. En este capítulo, nos ocuparemos principalmente de los sólidos porque los sólidos son lo más importante en las aplicaciones de ingeniería de los materiales. Los líquidos y gases se mencionarán únicamente con fines comparativos. Las moléculas de los sólidos están unidas estrechamente. Cuando las atracciones son más débiles, la sustancia puede estar en forma líquida y fluir libremente. Los gases no exhiben virtualmente fuerzas de atracción entre átomos o moléculas,
El tipo de unión no solo determina qué tan bien se mantiene unido un material, sino que también determina qué propiedades microscópicas posee el material. Propiedades como la capacidad de conducir calor o corriente eléctrica están determinadas por la libertad de movimiento de los electrones. Esto depende del tipo de unión presente. El conocimiento de la estructura microscópica de un material nos permite predecir cómo se comportará ese material en determinadas condiciones.
Enlace iónico
Un enlace iónico es un enlace químico, en el que uno o más electrones se transfieren por completo de un átomo de un elemento al átomo del otro, y los elementos se mantienen unidos por la fuerza de atracción debida a la polaridad opuesta de la carga. Este tipo de enlace químico es típico entre elementos con una gran diferencia de electronegatividad (es decir, elementos situados en los extremos horizontales de la tabla periódica ). Un enlace iónico siempre se encuentra en compuestos compuestos por elementos metálicos y no metálicos. No existe un valor preciso que distinga los enlaces iónicos de los covalentes, pero es probable que una diferencia de electronegatividad superior a 1,7 sea iónica, mientras que una diferencia de menos de 1,7 sea covalente.
La unión iónica conduce a la separación de iones positivos y negativos. En el proceso, todos los átomos adquieren configuraciones de gas estable o inerte (es decir, capas orbitales completamente llenas) y, además, una carga eléctrica, es decir, se convierten en iones. Por ejemplo, la sal de mesa común es el cloruro de sodio. El cloruro de sodio (NaCl) es el material iónico clásico. Un átomo de sodio puede asumir la estructura electrónica del neón mediante la transferencia de su único electrón de valencia 3s a un átomo de cloro. Después de tal transferencia, el ion cloro adquiere una carga neta negativa, una configuración electrónica idéntica a la del argón; también es más grande que el átomo de cloro. Estos iones luego se atraen entre sí en una proporción de 1: 1 para formar cloruro de sodio (NaCl).
Na + Cl → Na + + Cl - → NaCl
Los compuestos iónicos conducen la electricidad cuando están fundidos o en solución, generalmente como un sólido. Los compuestos iónicos generalmente tienen un alto punto de fusión , dependiendo de la carga de los iones que los componen. Cuanto mayores sean las cargas, más fuertes serán las fuerzas cohesivas y mayor será el punto de fusión. También tienden a ser solubles en agua; cuanto más fuertes sean las fuerzas cohesivas, menor será la solubilidad.
Enlace covalente
Un enlace covalente es un enlace químico formado por electrones compartidos . Los electrones de valencia se comparten cuando un átomo necesita electrones para completar su capa exterior y puede compartir esos electrones con su vecino. Los electrones son entonces parte de ambos átomos y ambas capas se llenan. Estos pares de electrones se conocen como pares compartidos o pares de enlace , y el equilibrio estable de fuerzas atractivas y repulsivas entre átomos, cuando comparten electrones, se conoce como enlace covalente .
El tipo más simple y común es un enlace sencillo en el que dos átomos comparten dos electrones. Otros tipos incluyen el enlace doble (por ejemplo, H 2 C = CH 2 ), el enlace triple, enlaces de uno y tres electrones, enlace de dos electrones de tres centros y enlace de cuatro electrones de tres centros.
La covalencia es máxima entre átomos de electronegatividades similares . Por lo tanto, el enlace covalente no requiere necesariamente que los dos átomos sean de los mismos elementos, solo que tengan una electronegatividad comparable (es decir, elementos que se encuentran cerca uno del otro en la tabla periódica ). No existe un valor preciso que distinga los enlaces iónicos de los covalentes, pero es probable que una diferencia de electronegatividad superior a 1,7 sea iónica, mientras que una diferencia de menos de 1,7 sea covalente.
Enlace metálico
Un enlace metálico es un enlace químico, en el que los átomos no comparten ni intercambian electrones para unirse. En cambio, muchos electrones (aproximadamente uno por cada átomo) tienen más o menos libertad para moverse por todo el metal, de modo que cada electrón puede interactuar con muchos de los átomos fijos. Los electrones libres protegen los núcleos de iones cargados positivamente de las fuerzas electrostáticas mutuamente repulsivas que de otro modo se ejercerían entre sí; en consecuencia, el enlace metálico es de carácter no direccional. La unión metálica se encuentra en metales y sus aleaciones. El libre movimiento o deslocalización de los electrones de enlace conduce a propiedades metálicas clásicas como brillo (reflectividad de la luz superficial), conductividad eléctrica y térmica , ductilidad y alta resistencia a la tracción.
El metal es un material (generalmente sólido) que comprende uno o más elementos metálicos (p. Ej., Hierro, aluminio, cobre, cromo, titanio, oro, níquel) y, a menudo, también elementos no metálicos (p. Ej., Carbono, nitrógeno, oxígeno) en cantidades relativamente pequeñas. . La característica única de los metales en lo que respecta a su estructura es la presencia de portadores de carga, específicamente electrones . Esta característica viene dada por la naturaleza del enlace metálico. Las conductividades eléctricas y térmicas de los metales se originan por el hecho de que sus electrones externos están deslocalizados .
Enlace de hidrógeno
Un enlace de hidrógeno puede ser intermolecular (que ocurre entre moléculas separadas) o intramolecular (que ocurre entre partes de la misma molécula). El enlace de hidrógeno es una fuerza de atracción principalmente electrostática entre un átomo de hidrógeno (H) que está unido covalentemente a un átomo o grupo más electronegativo.
Un hidrógeno es un claro ejemplo de interacción entre dos dipolos permanentes. La gran diferencia de electronegatividades entre el hidrógeno y el flúor , el nitrógeno y el oxígeno , junto con sus pares de electrones solitarios, provoca fuertes fuerzas electrostáticas entre las moléculas. Un ejemplo omnipresente de un enlace de hidrógeno se encuentra entre las moléculas de agua. Los enlaces de hidrógeno son responsables de los altos puntos de ebullición del agua. Cada H 2 O molécula tiene dos átomos de hidrógeno que se unen lata a átomos de oxígeno. Además, su único átomo de O puede unirse a dos átomos de hidrógeno de otros H 2O moléculas. Por lo tanto, para el hielo sólido, cada molécula de agua participa en cuatro enlaces de hidrógeno, lo que ayuda a crear una red hexagonal abierta. El alto punto de ebullición del agua líquida se debe al alto número de enlaces de hidrógeno que puede formar cada molécula, en relación con su baja masa molecular. Debido a la dificultad de romper estos enlaces, el agua tiene un punto de ebullición, un punto de fusión y una viscosidad muy altos en comparación con otros líquidos similares no unidos por enlaces de hidrógeno.
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