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La fisica y quimica

2.6: Moléculas y compuestos moleculares

                 

Objetivos de aprendizaje

 

         

  • para comprender las diferencias entre enlaces covalentes e iónicos.
  •  

 

 

Los átomos en todas las sustancias que contienen átomos múltiples se mantienen unidos por interacciones electrostáticas, interacciones entre partículas cargadas eléctricamente como protones y electrones. La atracción electrostática entre especies con carga opuesta (positiva y negativa) da como resultado una fuerza que hace que se muevan una hacia la otra, como la atracción entre polos opuestos de dos imanes. Por el contrario, la repulsión electrostática entre dos especies con la misma carga (tanto positiva como negativa) da como resultado una fuerza que hace que se repelen entre sí, al igual que los mismos polos de dos imanes. Los átomos forman compuestos químicos cuando las interacciones electrostáticas atractivas entre ellos son más fuertes que las interacciones repulsivas. Colectivamente, las interacciones atractivas entre los átomos se llaman enlaces químicos.

 

Los enlaces químicos generalmente se dividen en dos tipos fundamentalmente diferentes: iónico y covalente. Sin embargo, en realidad, los enlaces en la mayoría de las sustancias no son puramente iónicos ni puramente covalentes, sino que se encuentran en un espectro entre estos extremos. Aunque los enlaces puramente iónicos y puramente covalentes representan casos extremos que rara vez se encuentran en sustancias muy simples, una breve discusión de estos dos extremos ayuda a explicar por qué las sustancias con diferentes tipos de enlaces químicos tienen propiedades muy diferentes. Los compuestos iónicos consisten en iones cargados positiva y negativamente unidos por fuertes fuerzas electrostáticas, mientras que los compuestos covalentes generalmente consisten en moléculas, que son grupos de átomos en los que uno o más pares de electrones se comparten entre los átomos unidos. En un enlace covalente, los átomos se mantienen unidos por la atracción electrostática entre los núcleos cargados positivamente de los átomos unidos y los electrones cargados negativamente que comparten. Esta discusión de estructuras y fórmulas comienza describiendo compuestos covalentes. Los factores energéticos involucrados en la formación de enlaces se describen con más detalle cuantitativo más adelante.

 

 

Los compuestos iónicos consisten en iones de cargas opuestas mantenidas juntas por fuertes fuerzas electrostáticas, mientras que pares de electrones se comparten entre átomos unidos en compuestos covalentes.

 

 

Moléculas y compuestos covalentes

 

Así como un átomo es la unidad más simple que tiene las propiedades químicas fundamentales de un elemento, una molécula es la unidad más simple que tiene las propiedades químicas fundamentales de un compuesto covalente. Algunos elementos puros existen como moléculas covalentes. El hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno y los halógenos se presentan naturalmente como moléculas diatómicas (“dos átomos”) H 2 , N 2 , O 2 , F [ 19459017] 2 , Cl 2 , Br 2 e I 2 (parte (a) en la Figura ( PageIndex {1} ) ) Del mismo modo, existen algunos elementos puros como moléculas poliatómicas (“muchos átomos”), como el fósforo y el azufre elementales, que se presentan como P 4 y S 8 (parte (b) en Figura ( PageIndex {1} )).

 

Cada compuesto covalente está representado por una fórmula molecular, que proporciona el símbolo atómico de cada elemento componente, en un orden prescrito, acompañado de un subíndice que indica el número de átomos de ese elemento en la molécula. El subíndice se escribe solo si el número de átomos es mayor que 1. Por ejemplo, el agua, con dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno por molécula, se escribe como (H_2O ). Del mismo modo, el dióxido de carbono, que contiene un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno en cada molécula, se escribe como (CO_2 ).

 

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Figura ( PageIndex {1} ): Elementos que existen como moléculas covalentes. (a) Varios elementos existen naturalmente como moléculas diatómicas, en las cuales dos átomos (E) están unidos por uno o más enlaces covalentes para formar una molécula con la fórmula general E2. (b) Algunos elementos existen naturalmente como moléculas poliatómicas, que contienen más de dos átomos. Por ejemplo, el fósforo existe como tetraedro P4 (poliedro regular con cuatro lados triangulares) con un átomo de fósforo en cada vértice. El azufre elemental consiste en un anillo arrugado de ocho átomos de azufre conectados por enlaces simples. El selenio no se muestra debido a la complejidad de su estructura.
 

 

Los compuestos covalentes que predominantemente contienen carbono e hidrógeno se denominan compuestos orgánicos . La convención para representar las fórmulas de los compuestos orgánicos es escribir primero carbono, seguido de hidrógeno y luego cualquier otro elemento en orden alfabético (p. Ej., CH 4 O es alcohol metílico, un combustible ) Los compuestos que consisten principalmente en elementos distintos del carbono y el hidrógeno se denominan compuestos inorgánicos ; incluyen tanto compuestos covalentes como iónicos. En los compuestos inorgánicos, los elementos componentes se enumeran comenzando con el más alejado a la izquierda en la tabla periódica , como en CO 2 o SF 6 . Los del mismo grupo se enumeran comenzando con el elemento inferior y subiendo, como en ClF . Sin embargo, por convención, cuando un compuesto inorgánico contiene tanto hidrógeno como un elemento de los grupos 13-15, el hidrógeno generalmente aparece en último lugar en la fórmula. Los ejemplos son amoniaco ( NH 3 ) y silano ( SiH 4 ). Los compuestos como el agua, cuyas composiciones se establecieron mucho antes de que se adoptara esta convención, siempre se escriben primero con hidrógeno: el agua siempre se escribe como H 2 O , no OH [ 19459017] 2 . Las convenciones para los ácidos inorgánicos, como el ácido clorhídrico ( HCl ) y el ácido sulfúrico ( H 2 SO 4 ), se describen en Sección 2.8 .

 

 

Para compuestos orgánicos: escriba primero C, luego H, y luego los otros elementos en orden alfabético. Para compuestos inorgánicos moleculares: comience con el elemento en el extremo izquierdo de la tabla periódica; Enumere los elementos en el mismo grupo comenzando con el elemento inferior y subiendo.

 

 

Ejemplo ( PageIndex {1} )

 

Escribe la fórmula molecular de cada compuesto.

 

         

  1. El compuesto de fósforo y azufre que es responsable de la ignición del llamado golpe en cualquier lugar tiene 4 átomos de fósforo y 3 átomos de azufre por molécula.
  2.      

  3. El alcohol etílico, el alcohol de las bebidas alcohólicas, tiene 1 átomo de oxígeno, 2 átomos de carbono y 6 átomos de hidrógeno por molécula.
  4.      

  5. Freon-11, una vez ampliamente utilizado en aires acondicionados de automóviles e implicado en daños a la capa de ozono, tiene 1 átomo de carbono, 3 átomos de cloro y 1 átomo de flúor por molécula.
  6.  

 

Dado : identidad de los elementos presentes y número de átomos de cada uno

 

Preguntado por : fórmula molecular

 

Estrategia :

 

         

  1. Identifica el símbolo de cada elemento en la molécula. Luego identifique la sustancia como un compuesto orgánico o un compuesto inorgánico.
  2.      

  3. Si la sustancia es un compuesto orgánico, organice los elementos en orden comenzando con carbono e hidrógeno y luego enumere los otros elementos alfabéticamente. Si es un compuesto inorgánico, enumere los elementos que comienzan con el que está más alejado en la tabla periódica. Enumere elementos en el mismo grupo comenzando con el elemento inferior y subiendo.
  4.      

  5. De la información dada, agregue un subíndice para cada tipo de átomo para escribir la fórmula molecular.
  6.  

 

Solución

 

a

 

         

  1. La molécula tiene 4 átomos de fósforo y 3 átomos de azufre. Debido a que el compuesto no contiene principalmente carbono e hidrógeno, es inorgánico.
  2.      

  3. El fósforo está en el grupo 15, y el azufre está en el grupo 16. Como el fósforo está a la izquierda del azufre, se escribe primero.
  4.      

  5. Escribir el número de cada tipo de átomo como un subíndice de la derecha da P 4 S 3 como la fórmula molecular.
  6.  

 

b.

 

         

  1. El alcohol etílico contiene predominantemente carbono e hidrógeno, por lo que es un compuesto orgánico.
  2.      

  3. La fórmula para un compuesto orgánico se escribe primero con el número de átomos de carbono, luego con el número de átomos de hidrógeno y los otros átomos en orden alfabético: CHO.
  4.      

  5. Agregar subíndices da la fórmula molecular] (C_2H_6O ).
  6.  

 

c

 

         

  1. El freón-11 contiene carbono, cloro y flúor. Se puede ver como un compuesto inorgánico o un compuesto orgánico (en el que el flúor ha reemplazado al hidrógeno). Por lo tanto, la fórmula para Freon-11 se puede escribir usando cualquiera de las dos convenciones.
  2.      

  3. De acuerdo con la convención para compuestos inorgánicos, el carbono se escribe primero porque queda más lejos en la tabla periódica. El flúor y el cloro están en el mismo grupo, por lo que se enumeran comenzando con el elemento inferior y trabajando hacia arriba: CClF. Agregar subíndices proporciona la fórmula molecular CCl 3 F.
  4.      

  5. Obtenemos la misma fórmula para Freon-11 usando la convención para compuestos orgánicos. Primero se escribe el número de átomos de carbono, seguido por el número de átomos de hidrógeno (cero) y luego los otros elementos en orden alfabético, dando también CCl 3 F.
  6.  

 

 

Ejercicio ( PageIndex {1} )

 

Escribe la fórmula molecular para cada compuesto.

 

         

  1. El óxido nitroso, también llamado “gas hilarante”, tiene 2 átomos de nitrógeno y 1 átomo de oxígeno por molécula. El óxido nitroso se usa como anestésico suave para cirugía menor y como propelente en latas de crema batida.
  2.      

  3. La sacarosa, también conocida como azúcar de caña, tiene 12 átomos de carbono, 11 átomos de oxígeno y 22 átomos de hidrógeno.
  4.      

  5. El hexafluoruro de azufre, un gas utilizado para presurizar pelotas de tenis “no presurizadas” y como refrigerante en reactores nucleares, tiene 6 átomos de flúor y 1 átomo de azufre por molécula.
  6.  

 

     

Responda a

     

     

N 2 O

     

     

Respuesta b

     

     

C 12 H 22 O 11

     

     

Respuesta c

     

     

SF 6

     

 

 

 

Representaciones de estructuras moleculares

 

Las fórmulas moleculares solo dan la composición elemental de las moléculas. En contraste, las fórmulas estructurales muestran qué átomos están unidos entre sí y, en algunos casos, la disposición aproximada de los átomos en el espacio. Conocer la fórmula estructural de un compuesto permite a los químicos crear un modelo tridimensional, que proporciona información sobre cómo se comportará ese compuesto física y químicamente.

 

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Figura ( PageIndex {2} ): Moléculas que contienen enlaces simples, dobles y triples. El hidrógeno (H 2 ) tiene un enlace sencillo entre los átomos. El oxígeno (O 2 ) tiene un doble enlace entre los átomos, indicado por dos líneas (=). El nitrógeno (N 2 ) tiene un triple enlace entre átomos, indicado por tres líneas (≡). Cada enlace representa un par de electrones.
 

 

La fórmula estructural para H 2 se puede dibujar como H – H y eso para I 2 como I – I, donde la línea indica un solo par de electrones compartidos, un enlace sencillo. Dos pares de electrones se comparten en un doble enlace, que se indica mediante dos líneas, por ejemplo, O 2 es O = O. Tres pares de electrones se comparten en un enlace triple, que se indica mediante tres líneas, por ejemplo, N 2 es N≡N (consulte Figura ( PageIndex {2} ) ) El carbono es único en la medida en que forma enlaces simples, dobles y triples consigo mismo y con otros elementos. El número de enlaces formados por un átomo en sus compuestos covalentes no es arbitrario. El hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y el carbono tienen una tendencia muy fuerte a formar sustancias en las que tienen uno, dos, tres y cuatro enlaces con otros átomos, respectivamente ( Tabla ( PageIndex {1} ) )

 

     

     

         

             

             

         

     

     

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

     

 

Tabla ( PageIndex {1} ): El número de enlaces que seleccionaron los átomos comúnmente se forman con otros átomos
Átomo Número de Bonos
H (grupo 1) 1
O (grupo 16) 2
N (grupo 15) 3
C (grupo 14) 4

 

La fórmula estructural para el agua se puede dibujar de la siguiente manera:

 

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Debido a que este último se aproxima a la forma experimentalmente determinada de la molécula de agua, es más informativo. Del mismo modo, el amoníaco (NH 3 ) y el metano (CH 4 ) a menudo se escriben como moléculas planas:

 

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La figura ( PageIndex {3} ), es tetraédrica: los átomos de hidrógeno se colocan en cualquier otro vértice de un cubo. Muchos compuestos, compuestos de carbono, en particular, tienen cuatro átomos unidos dispuestos alrededor de un átomo central para formar un tetraedro.
 

 

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Figura ( PageIndex {3} ): Las estructuras tridimensionales del agua, el amoníaco y el metano. (a) El agua es una molécula en forma de V, en la cual los tres átomos se encuentran en un plano. (b) En contraste, el amoníaco tiene una estructura piramidal, en la cual los tres átomos de hidrógeno forman la base de la pirámide y el átomo de nitrógeno está en el vértice. (c) Los cuatro átomos de hidrógeno del metano forman un tetraedro; El átomo de carbono se encuentra en el centro.
 

 

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El metano (CH_4 ) tiene una estructura tetraédrica tridimensional.
 

 

Las figuras ( PageIndex {1} ), ( PageIndex {2} ), y ( PageIndex {3} ) ilustran diferentes formas de representan las estructuras de las moléculas. Debe quedar claro que no existe una única “mejor” forma de dibujar la estructura de una molécula; El método utilizado depende de qué aspecto de la estructura se debe enfatizar y cuánto tiempo y esfuerzo se requiere. La figura ( PageIndex {4} ) muestra algunas de las diferentes formas de representar la estructura de una molécula ligeramente más compleja: el metanol. Estas representaciones difieren mucho en el contenido de su información. Por ejemplo, la fórmula molecular para metanol ( Figura ( PageIndex {4a} ) ) da solo el número de cada tipo de átomo; escribiendo metanol como CH 4 O no dice nada sobre su estructura. En contraste, la fórmula estructural ( Figura ( PageIndex {4b} ) ) indica cómo están conectados los átomos, pero hace que el metanol parezca plano (que no lo es). Tanto el modelo de bola y palo (parte (c) en Figura ( PageIndex {4} ) ) como el dibujo en perspectiva ( Figura ( PageIndex {4d} ) [ 19459025]) muestran la estructura tridimensional de la molécula. La última (también llamada representación de cuña y guión) es la forma más fácil de esbozar la estructura de una molécula en tres dimensiones. Muestra qué átomos están por encima y por debajo del plano del papel mediante el uso de cuñas y guiones, respectivamente; siempre se supone que el átomo central está en el plano del papel. El modelo de relleno de espacio (parte (e) en Figura ( PageIndex {4} )) ilustra los tamaños relativos aproximados de los átomos en la molécula, pero no muestra los enlaces entre los átomos . Además, en un modelo de relleno de espacio, los átomos en el “frente” de la molécula pueden oscurecer los átomos en la “parte posterior”.

 

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Figura ( PageIndex {4} ): diferentes formas de representar la estructura de una molécula. (a) La fórmula molecular del metanol proporciona solo el número de cada tipo de átomo presente. (b) La fórmula estructural muestra qué átomos están conectados. (c) El modelo de bola y palo muestra los átomos como esferas y los enlaces como barras. (d) Un dibujo en perspectiva (también llamado representación de cuña y guión) intenta mostrar la estructura tridimensional de la molécula. (e) El modelo de relleno de espacio muestra los átomos en la molécula pero no los enlaces. (f) La fórmula estructural condensada es, con mucho, la forma más fácil y más común de representar una molécula.
 

 

Aunque una fórmula estructural, un modelo de bola y palo, un dibujo en perspectiva y un modelo de relleno de espacio proporcionan una cantidad significativa de información sobre la estructura de una molécula, cada uno requiere tiempo y esfuerzo. En consecuencia, los químicos a menudo usan una fórmula estructural condensada (parte (f) en Figura ( PageIndex {4} ) ), que omite las líneas que representan enlaces entre átomos y simplemente enumera los átomos unidos a un determinado átomo a su lado. Múltiples grupos unidos al mismo átomo se muestran entre paréntesis, seguidos de un subíndice que indica el número de dichos grupos. Por ejemplo, la fórmula estructural condensada para metanol es CH 3 OH, lo que indica que la molécula contiene una unidad CH 3 que parece un fragmento de metano (CH 4 [ 19459018]). Por lo tanto, el metanol puede verse como una molécula de metano en la que un átomo de hidrógeno ha sido reemplazado por un grupo –OH o como una molécula de agua en la que un átomo de hidrógeno ha sido reemplazado por un fragmento –CH 3 . Debido a su facilidad de uso y contenido de información, utilizamos fórmulas estructurales condensadas para moléculas a lo largo de este texto. Los modelos de bola y palo se usan cuando es necesario para ilustrar la estructura tridimensional de las moléculas, y los modelos de relleno de espacio se usan solo cuando es necesario visualizar los tamaños relativos de átomos o moléculas para comprender un punto importante.

 

Ejemplo ( PageIndex {2} ): Fórmulas moleculares

 

Escribe la fórmula molecular para cada compuesto. Se da la fórmula estructural condensada.

 

         

  1. El monocloruro de azufre (también llamado dicloruro de disulfuro) es un líquido amarillo corrosivo con olor vil utilizado en la producción de caucho sintético. Su fórmula estructural condensada es ClSSCl.
  2.      

  3. El etilenglicol es el ingrediente principal en el anticongelante. Su fórmula estructural condensada es HOCH 2 CH 2 OH.
  4.      

  5. La trimetilamina es una de las sustancias responsables del olor a pescado en mal estado. Su fórmula estructural condensada es (CH 3 ) 3 N.
  6.  

 

Dado : fórmula estructural condensada

 

Preguntado por : fórmula molecular

 

Estrategia :

 

         

  1. Identifica cada elemento en la fórmula estructural condensada y luego determina si el compuesto es orgánico o inorgánico.
  2.      

  3. Según corresponda, use una convención orgánica o inorgánica para enumerar los elementos. Luego agregue los subíndices apropiados para indicar el número de átomos de cada elemento presente en la fórmula molecular.
  4.  

 

Solución :

 

La fórmula molecular enumera los elementos en la molécula y el número de átomos de cada uno.

 

         

  1. A Cada molécula de monocloruro de azufre tiene dos átomos de azufre y dos átomos de cloro. Debido a que no contiene principalmente carbono e hidrógeno, es un compuesto inorgánico. B El azufre se encuentra a la izquierda del cloro en la tabla periódica, por lo que se escribe primero en la fórmula. Agregar subíndices da la fórmula molecular S 2 Cl 2 .
  2.      

  3. A Contando los átomos en etilenglicol, obtenemos seis átomos de hidrógeno, dos átomos de carbono y dos átomos de oxígeno por molécula. El compuesto consiste principalmente en átomos de carbono e hidrógeno, por lo que es orgánico. B Como con todos los compuestos orgánicos, C y H se escriben primero en la fórmula molecular. La adición de subíndices apropiados proporciona la fórmula molecular C 2 H 6 O 2 .
  4.      

  5. A La fórmula estructural condensada muestra que la trimetilamina contiene tres unidades de CH 3 , por lo que tenemos un átomo de nitrógeno, tres átomos de carbono y nueve átomos de hidrógeno por molécula. Como la trimetilamina contiene principalmente carbono e hidrógeno, es un compuesto orgánico. B De acuerdo con la convención para compuestos orgánicos, C y H se escriben primero, dando la fórmula molecular C 3 H 9 N.
  6.  

 

trimeth.png

 

 

Ejercicio ( PageIndex {2} ): Fórmulas moleculares

 

Escribe la fórmula molecular para cada molécula.

 

         

  1. El cloroformo, que fue uno de los primeros anestésicos y se usó en muchos jarabes para la tos hasta hace poco, contiene un átomo de carbono, un átomo de hidrógeno y tres átomos de cloro. Su fórmula estructural condensada es CHCl3.
  2.      

  3. La hidrazina se usa como propulsor en los chorros de actitud del transbordador espacial. Su fórmula estructural condensada es H2NNH2.
  4.      

  5. La putrescina es un compuesto de olor picante aislado por primera vez de extractos de carne podrida. Su fórmula estructural condensada es H2NCH2CH2CH2CH2NH2. Esto a menudo se escribe como H2N (CH2) 4NH2 para indicar que hay cuatro fragmentos de CH2 unidos entre sí.
  6.  

 

Chloroform copy.png

 

     

Responda a

     

     

CHCl 3

     

     

Respuesta b

     

     

N 2 H 4

     

     

Respuesta c

     

     

C 4 H 12 N 2

     

 

 

 

Resumen

 

Hay dos tipos fundamentalmente diferentes de enlaces químicos (covalente e iónico) que hacen que las sustancias tengan propiedades muy diferentes. Los átomos en los compuestos químicos se mantienen unidos por interacciones electrostáticas atractivas conocidas como enlaces químicos. La fórmula molecular de un compuesto covalente da los tipos y números de átomos presentes. Los compuestos que contienen predominantemente carbono e hidrógeno se denominan compuestos orgánicos, mientras que los compuestos que consisten principalmente en elementos distintos del carbono y el hidrógeno son compuestos inorgánicos. Las moléculas diatómicas contienen dos átomos, y las moléculas poliatómicas contienen más de dos. Una fórmula estructural indica la composición y la estructura y forma aproximadas de una molécula. Los compuestos moleculares covalentes, en contraste, consisten en moléculas discretas unidas por fuerzas intermoleculares débiles y pueden ser gases, líquidos o sólidos a temperatura y presión ambiente.