miércoles, 26 de octubre de 2011

Union de Iones


Los iones son componentes esenciales de la materia tanto inerte como viva. Son partículas con carga eléctrica neta que participan en un buen número de fenómenos químicos. A la temperatura ambiente, los iones de signo opuesto se unen entre sí fuertemente siguiendo un esquema regular y ordenado que se manifiesta bajo la forma de un cristal. En disolución, son la base de procesos como la electrólisis y el fundamento de aplicaciones como las pilas y los acumuladores.
Aun cuando la materia se presenta la mayor parte de las veces carente de propiedades eléctricas, son éstas las responsables, en gran medida, de su constitución y estructura. Un grano de sal, una gota de limón o un trozo de mármol contienen millones de átomos o conjuntos de átomos que han perdido su neutralidad eléctrica característica y se han convertido en iones.
Las fuerzas eléctricas entre iones de signo opuesto son las responsables del aspecto sólido y consistente que ofrece un cristal de cloruro de sodio. La composición iónica de una gota de limón hace de ella un conductor de la corriente eléctrica, siendo los iones presentes en la disolución los portadores de carga y energía eléctricas. Los procesos químicos en los cuales las sustancias reaccionantes ceden o captan electrones implican la formación de iones o su neutralización. El enlace iónico, la electrólisis y los procesos de oxidación-reducción son algunos de los fenómenos naturales en los que los iones desempeñan el papel principal.

¿QUE SON LOS IONES?
Un poco de historia

El estudio de la composición de las sustancias químicas llevó al químico inglés Humphry Davy (1778-1829) a investigar la influencia de la corriente eléctrica en la separación de diferentes sustancias compuestas. Ensayó infructuosamente con sustancias sólidas para más tarde probar con las mismas sustancias fundidas. El paso de la corriente alimentada por una potente batería construida a propósito permitió finalmente a Davy separar diferentes compuestos en sus elementos constituyentes.
Michel Faraday (1791-1867), discípulo de Davy,extendió los estudios de su maestro a disoluciones e introdujo, por primera vez, el nombre de electrólisis para referirse a la separación o ruptura de sustancias compuestas mediante la corriente eléctrica. La observación de que las disoluciones salinas eran capaces de conducir la corriente eléctrica llevó a Faraday a considerar que deberían existir en tales disoluciones partículas cargadas cuyo movimiento entre los dos conductores extremos o electrodos , colocados dentro de la disolución, constituiría la corriente eléctrica. A tales partículas cargadas las llamó iones , que en griego significa viajero . El electrodo positivo recibió el nombre de ánodo; hacia él viajarían los iones negativos que llamó aniones . Por su parte el electrodo negativo o cátodo atraería a los iones positivos, que por dirigirse al cátodo los denominó cationes 

El concepto de ion

Un ion es un átomo o grupo de átomos cargado eléctricamente. Un ion positivo es un catión y un ion negativo es un anión.
La formación de los iones a partir de los átomos es, en esencia, un proceso de pérdida o ganancia de electrones. Así, cuando un átomo como el de sodio (Na) pierde un electrón (e-) se convierte ( ®) en el catión Na+:
Na - 1 e- ® Na+ (18.1)
Si un átomo de oxígeno gana dos electrones se convierte en el anión O=:
O + 2 e- ® O= (18.2)
Cuando un ion sencillo se une con moléculas neutras o con otro ion de signo opuesto que no compensa totalmente su carga, se forma un ion complejo. Tal es el caso del ión amonio NH4 + producido por la unión del ión hidrógeno con la molécula de amoníaco NH3 :
H+ + NH3 ® NH4 +
o del ion hidronio formado por la unión del ion hidrógeno con la molécula de agua H2 O:
H+ + H2 O ® H3 O+
Aun cuando los iones proceden de los átomos son, desde un punto de vista químico, muy diferentes de ellos. Así, la sustancia sodio metálico, compuesta por átomos de sodio Na, reacciona enérgicamente con el agua, mientras que el ion sodio Na+ no lo hace. Debido a las diferencias existentes en su configuración electrónica, átomos e iones suelen presentar diferencias notables en su capacidad para reaccionar químicamente con otras sustancias.

FUERZAS DE ENLACE IONICO

La formación de cualquier compuesto a partir de los correspondientes elementos está íntimamente relacionada con la estructura interna de los átomos que han de enlazarse y, en particular, con la configuración adoptada por sus electrones más externos. En este sentido cabe hacer distinción entre los elementos metálicos y los no metálicos. Un análisis de las configuraciones electrónicas de los diferentes elementos de la tabla periódica indica que la mayor parte de los metales tienen muy pocos electrones en su última capa, mientras que en los no metales sucede todo lo contrario.
Los metales pueden deshacerse con cierta facilidad de sus electrones más externos, dando lugar a iones de signo positivo o cationes; se dice por ello que son electropositivos; en tanto que los no metales tienden a incorporar electrones en su última capa convirtiéndose en iones de signo negativo o aniones, razón por la que son considerados como elementoselectronegativos .Ambos hechos son debidos a que las configuraciones electrónicas formadas por capas completas son más estables, es decir, implican una menor energía potencial, por lo que los átomos de los diferentes elementos presentan cierta tendencia a alcanzar tal situación, que es característica de los gases nobles.

La formación del enlace iónico

El arrancar un electrón a un átomo es un proceso que implica el consumo de una determinada cantidad de energía o energía de ionización que resulta relativamente pequeña en los metales. Tomando como referencia un metal y un no metal,como son el sodio y el cloro, se tiene:
Na + energía ionización ® Na+ + 1 e-
(8,2 · 10-19 J/átomo)
Cl + energía ionización ® Cl+ + 1 e-
(20,8 · 10-19 J/átomo)
La incorporación de un electrón a un no metal típico para formar un ion negativo estable lleva consigo, por el contrario, la liberación de una cantidad de energía denominada afinidad electrónica o electroafinidad. Así:
Cl + 1 e- ® Cl- + afinidad electrónica
(5,8 · 10-19 J/átomo)
Parece, pues, lógico suponer que, si se dan las condiciones oportunas, ambos procesos tiendan a acoplarse para, a partir de los átomos Na y Cl, obtener simultáneamente los iones Na+ y Cl- con configuraciones electrónicas estables ([Na+] = [Ne]; [Cl+] = [Ar]). Sin embargo, debido a que la afinidad electrónica del Cl es inferior a la energía de ionización del Na, para que el proceso global se lleve a término es necesario un aporte suplementario de energía.
Una vez formados ambos iones, y al ser éstos de signos opuestos, se produce una atracción electrostática entre ellos que da lugar a la liberación de una cantidad de energía considerable por disminución de la energía potencial electrostática del conjunto, lo que hace posible la formación de nuevos pares iónicos y de nuevos enlaces. Los enlaces iónicos entre pares de elementos se darán, pues, cuando cada uno de ellos tienda a generar iones de signo contrario; ésta es la característica que presentan precisamente los metales respecto de los no metales.

SOLIDOS IONICOS

Cristales iónicos

Las fuerzas de enlace iónico son típicamente electrostáticas, de modo que un ion Na+ ejercerá su fuerza atractiva sobre los iones Cl- con igual intensidad en todas las direcciones del espacio para una distancia dada. Esta característica de las fuerzas de enlace iónico da lugar a la formación de estructuras iónicas espaciales y regulares en las que cada ion está ligado a un grupo ordenado de iones de signo contrario que le rodea. Dicho número, que se conoce con el nombre de índice de coordinación , estará determinado fundamentalmente por la relación que exista entre los tamaños de los iones enlazados. Así, por ejemplo,en el cristal de NaCl el índice de coordinación es 6, la estructura de su red cristalina es cúbica centrada en las caras y cada ion Na+ está rodeada por 6 Cl-. Sin embargo, en el cristal del CsCl el índice de coordinación es 8 y la estructura de su red cristalina es cúbica centrada en el cuerpo; en ella cada ion Cs+ está rodeado por 8 Cl-.
Esta diferente estructura de ambos cristales puede explicarse como debida a que el tamaño de un ion Cl- es casi el doble que el de un ion Na+ y, sin embargo, es sólo un poco mayor que el de un ion Cs+. Dado que la estructura más estable es la más compacta posible, es lógico que en torno a un ion mayor como es el Cs+ tengan que agruparse un mayor número de iones Cl-. Para comprender mejor este hecho basta asimilar los iones a esferas y considerar cómo influiría el tamaño de las mismas en la formación de una estructura compacta.
Todo cristal iónico ha de ser, en conjunto, eléctricamente neutro, y por esta razón se escriben las fórmulas de los compuestos iónicos como si se tratase de moléculas cuando en realidad no lo son. Así, cuando se escribe el cloruro de cesio como CsCl se quiere indicar con ello que, en conjunto e independientemente de su ordenación en el cristal, existe un ion Cs+ por cada ion Cl-. De igual modo, cuando los iones en cuestión difieren en su número de cargas, la fórmula se verá afectada por los correspondientes subíndices que indican la proporción de uno a otro exigida por la condición de electroneutralidad del cristal. Así, por ejemplo, el fluoruro de calcio (fluorita) está formado por la unión iónica de los iones F- y Ca ²+; su fórmula viene dada por CaF ².

Propiedades de los sólidos iónicos

El hecho de que las fuerzas electrostáticas responsables del enlace iónico sean intensas y estén orientadas en las diferentes direcciones del espacio determina la mayor parte de las propiedades características de estos sólidos. Así, por ejemplo, todos los compuestos iónicos presentan un elevado punto de fusión por encima de los 500 °C la mayoría de las veces, de modo que en las condiciones de presión y temperatura ordinarias se hallan en estado sólido. Sólo a altas temperaturas la energía térmica, que se traduce en vibración de los iones en la red, es suficiente como para vencer las fuerzas de enlace, con lo que la estructura cristalina se viene abajo y el sólido iónico se convierte en líquido.
Los sólidos iónicos se caracterizan por su dureza o dificultad para ser rayados, así como por su fragilidad, es decir, por su carácter quebradizo. Teniendo en cuenta que todo proceso de rayado implica la rotura de enlaces en el cristal, se comprenderá por qué tal operación resulta dificultosa en los compuestos iónicos; es una consecuencia de la intensidad de las fuerzas de enlace. La fragilidad se explica del siguiente modo: si las fuerzas deformadoras están dirigidas de forma que produzcan un desplazamiento lateral de una capa iónica sobre otra, los iones del mismo signo quedan enfrentados, por lo que experimentarán una fuerte repulsión y el cristal se romperá.
Los compuestos iónicos no son conductores de la electricidad en estado sólido, pues los iones están fuertemente ligados en la red; sin embargo, a una temperatura superior a su punto de fusión, cuando alcanzan la condición de líquido, se convierten en conductores. En tal circunstancia son los propios iones los portadores de carga que contribuyen a la formación de una corriente eléctrica,cuando se les somete a la acción de un campo eléctrico.
Asimismo, la estructura en forma de red o retícula característica de los sólidos iónicos puede quedar deshecha bajo la acción de algunos líquidos o disolventes polares como el agua. La desaparición de las uniones rígidas entre los iones que formaban la red cristalina confiere a aquéllos, en disolución, la suficiente movilidad como para poder contribuir al transporte de carga típico de la corriente eléctrica. Esta es otra propiedad característica de los sólidos iónicos, la de ser buenos conductores en disolución.


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