Secundaria Capa de valencia

[Oriol Frigola Manzano]

Hola,

En el instituto me han explicado que los àtomos "buscan" tener la úlltima capa completa. Por eso muchas veces se crean enlaces iónicos como la sal o NaCl. La cuestión es si el àtomo de Na inicialmente es neutro, porque tiene igual número de electrones que de protones, cual es la fuerza que hace que el electrón abandone su órbita y llege al átomo de Cl?? Si el àtomo de Cl es neutro también.

Gracias!

[arivasm]

Re: Capa de valencia

Empezaré contándote que soy profesor de instituto. Lo digo para que sitúes adecuadamente lo que afirmaré justo a continuación.

En secundaria, especialmente en lo que se refiere a la Física atómica, se cuentan muchas mentirijillas (si lo prefieres, verdades muuuuy a medias) con el propósito de no complicarle la vida a los alumnos y, sobre todo, permitirles construir conocimientos que luego les serán útiles para aprender más cosas, e incluso para rectificarlos.

Quiero decirte con todo esto que eso de que los átomos quieren tener la última capa completa, o que son más estables si tienen configuración de gas noble (hablo de átomos que tendrían que estar ionizados para ello) es simplemente falso. No deja de ser una regla mnemotécnica, que funciona aceptablemente bien en muchos casos, pero no en todos. Hay varios ejemplos muy notables, entre los cuales destacaré la existencia de compuestos de xenón (¿por qué rayos iba a "querer" el xenón dejar de tener tan magnífica estructura?)

El punto de vista correcto es el de la Física cuántica: la formación de un compuesto debe ser vista como una reorganización de un sistema que inicialmente tiene los núcleos y los electrones distribuidos de una manera y finalmente lo están de otra. Simplificando un poco, si la energía de la segunda forma es menor que la de la primera entonces el compuesto puede existir. En caso contrario, no hay compuesto.

Centrándose en tu pregunta. Un punto de vista más adecuado que el típico de secundaria de "este átomo pierde un electrón y éste otro lo gana, y entonces los iones se atraen y forman una red" es el que ignora todos esos detalles y considera la energía del proceso aplicando la ley de Hess: la energía final será el balance entre la que hará falta atomizar los elementos de partida, para ionizarlos y formar la red. Eso no quiere decir que sea ése el camino que siga el sistema, sino que hacemos uso de que la variación de la energía sólo dependerá de los estados inicial y final, con lo que podremos calcularla por el camino que nos resulte más cómodo, aunque no se parezca en absoluto al que verdaderamente ocurra en la realidad.

Ahora bien, sí existirá un camino en la reacción de formación del compuesto iónico, que podría tener detalles bastante complicados. Lo ilustraré con un ejemplo: formemos cloruro de sodio poniendo juntos sodio metal y cloro gaseoso. Las moléculas de cloro que choquen con la energía suficiente contra la superficie del metal podrán romper sus enlaces covalentes y también intercambiar electrones con algunos de los átomos del metal, que abandonarán éste, formándose así iones de ambos elementos, que si están próximos a otros iones se unirán a éstos, contribuyendo así a la formación de una red cristalina creciente...

Espero haberte aclarado algo y no haberte complicado la vida, como decía al principio!

[Oriol Frigola Manzano]

Re: Capa de valencia

Muchas gracias,

Entonces, lo que me han explicado es (como dices) "un camino" que no tiene porqué ser el correcto, pero da la misma conclusión, no?
Otra cosa: dos átomos que pueden formar un enlace iónico, intercambian los electrones si no hay una intervención exterior (que proporciona energía)? Eso no me ha quedado demasiado claro.

PD: no te preocupes, ya me gusta complicarme

[arivasm]

Re: Capa de valencia

No es necesaria la intervención de un agente exterior, salvo que entre éstos incluyamos las causas por las cuales las substancias implicadas poseen una temperatura no nula. Porque la clave está, precisamente en la temperatura que, como sabes, es una medida de la energía cinética media de las moléculas, aunque también podemos entenderla como una medida de la fracción de moléculas que superan en energía cinética un valor determinado.

Con respecto a la formación de un compuesto iónico, conviene visualizarla exactamente en los mismos términos que cualquier reacción química. Es decir, si recurrimos a ese concepto aproximado (pero muy útil) que es el enlace químico, diremos que se trata de romper unos enlaces y formar otros; o mejor aún, recurrir al punto de vista cuántico: un proceso por el que se reorganizan las partículas que intervienen (a este nivel, electrones y núcleos -pues la estructura interna de éstos permanece inalterada-).

De todos modos, podemos preguntarnos, como haces tú, si será posible que, por ejemplo, un solo átomo de sodio reaccione con un único átomo de sodio, formando el enlace iónico. Por supuesto, si la colisión entre ellos es suficientemente energética no habrá problema en que sea la fuente de la energía necesaria para formar los iones.

Pero también podemos preguntarnos qué sucederá si la colisión es muuuy suave. En tal caso sólo tendremos que preocuparnos por tres términos energéticos:

• El potencial de ionización del átomo de sodio, $5,14 {\rm eV} = \notcien{8,2}{-19}{\rm J}$, que es una cantidad que debe ser absorbida por el sistema.
• La afinidad electrónica del cloro, $349 {\rm kJ/mol} = \notcien{5,8}{-19}{\rm J}$, que es una cantidad que se desprende.
• La energía potencial del par de cargas formado por ambos iones, $-k e^2/r$. Tomando para la distancia entre núcleos la suma de los radios de los iones, $0,95 {\rm A}+1,81{\rm A} = 2,76 {\rm A}$, tenemos un valor de $\notcien{-8,4}{-19}{\rm J}$.

Por tanto, está claro que se desprende más energía, $\notcien{13,9}{-19}{\rm J}$, que la que se consume, $\notcien{8,2}{-19}{\rm J}$. Es decir, los dos átomos enlazados tienen una energía que es $\notcien{5,7}{-19}{\rm J}$ menor que los dos átomos neutros y sin enlazar. En consecuencia, el enlace sí se producirá.


¿Significa eso que no hará falta ninguna energía en la colisión? Pues seguramente sí, porque es muy común que la energía del sistema aumente a medida que se aproximan los átomos (fundamentalmente debido a la repulsión internuclear y entre las nubes electrónicas de los dos átomos) antes de iniciar el descenso que lleve hasta el valor anterior. La superación de esa barrera inicial es la que hará que la colisión deba tener cierta energía de activación, cuyo valor desconozco en este caso.