Los elementos helio, neón, argón, kryptón, xenón y radón —conocidos como gases nobles—casi siempre tienen moléculas monoatómicas. Sus átomos no se combinan con los de otros elementos ni con átomos similares. Antes de 1962 no se conocían compuestos formados por estos elementos. (A partir de 1962 se han preparado algunos compuestos de kryptón, xenón y radón). ¿Por qué serán tan estables mientras que los elementos que tienen número atómico menor o mayor de 1 son más reactivos? La respuesta reside en la estructura electrónica de los átomos. Los electrones del interior del átomo están ordenados por capas, como se describe en la sección 3. 6. (En el capítulo 17 se es- tudiará la estructura electrónica con mayor detalle. )
EJEMPLO 5. 1. a) Ordene los 11 electrones del sodio por capas, b) Ordene los 10 electrones del neón por capas.
Número de capa 1 2 3
a) Na 2 8 ¡ b) Ne 2 8
Los primeros dos electrones llenan la primera capa y los ocho siguientes la segunda. En el sodio queda un electrón para la tercera capa.
La carga en el núcleo y el número de electrones de la capa, de valencia determinan las propiedades químicas del átomo. Las configuraciones electrónicas de los gases nobles (con excepción del helio) corresponden a una capa de valencia que contiene ocho electrones —una configuración sumamente estable denominada octeto. Los átomos de otros elementos del grupo principal tienden a reaccionar con otros átomos de diversas maneras para alcanzar un octeto, como se explicará en las siguientes secciones. Esta tendencia a formar un octeto de electrones en la capa más externa recibe el nombre de regla del octeto. Cuando la capa más externa es la primera, es decir, sólo hay una ocupada, el número máximo de electrones es dos. Una configuración de dos electrones en la primera capa cuando no hay otras ocupadas es estable, y por tanto, también sigue la regla del octeto.
5. 3 IONES
La configuración electrónica de un átomo de sodio es:
Na 2 8 1
Con facilidad se observa que si el átomo de sodio perdiera un electrón, la especie resultante tendría la configuración
Na+ 2 8 0 o de manera más simple Na+ 2 8
El núcleo de un átomo de sodio contiene 11 protones, y cuando sólo hay diez electrones en torno al núcleo después de que aquél ha perdido uno, el átomo tiene carga neta de 1 +. Un átomo (o grupo de átomos) que contiene carga neta se llama ion. En notación química el ion se representa por el símbolo del átomo indicando la carga como superíndice a la derecha. Así, el ion sodio se escribe Na+. El Na+ tiene la misma configuración electrónica del átomo de neón (véase el ejemplo 5. 1 b). Los iones que tienen configuraciones electrónicas de gases nobles son estables. Obsérvense las diferencias tan importantes entre el ion sodio y el átomo de neón —las cargas nucleares distintas y la carga neta 1 + del Na+. Por tanto, el ion Na+ no es tan estable como el átomo Ne.
EJEMPLO 5. 2. ¿Cuál es la configuración electrónica de un ion fluoruro que se forma al añadirse un electrón
al átomo de flúor?
La configuración electrónica del átomo de flúor es
Al ganar un electrón adicional, el átomo de flúor obtiene la configuración electrónica del neón:
2 8
Sin embargo, como el átomo de flúor contiene 9 protones en el núcleo, y ahora tiene 10 electrones fuera de él, tiene carga negativa neta y es un ion; éste se representa como y se llama ion fluoruro.
Los compuestos —inclusive los de tipo iónico— no tienen carga neta. En el compuesto fluoruro de sodio hay iones sodio y iones fluoruro; por tener carga opuesta se atraen entre sí y forman un ordenamiento geométrico regular como el que se muestra en la figura 5-1. Esta atracción se denomi- na enlace iónico. Hay números iguales de iones Na+ y , y el compuesto es eléctricamente neutro. Sería inexacto hablar de una molécula de fluoruro de sodio sólido, o de un enlace entre un ion sodio específico y un ion fluoruro específico. La sustancia NaF es sumamente estable debido a 1) las configuraciones electrónicas estables de los iones, y 2) las atracciones entre iones de carga opuesta.
Fig. 5-1 Modelo de bolas y varillas de la estructura de cloruro de sodio. Las líneas no son enlaces covalentes (véase sección 5. 5), tan sólo indican la posición de los iones. El fluoruro de sodio es el único compuesto que tiene estructura similar a la del cloruro de sodio.
Las configuraciones electrónicas de los iones de muchos elementos, en especial los del grupo principal, pueden predecirse suponiendo que la ganancia o pérdida de electrones del átomo produce una configuración análoga a la de un "gas noble", que contiene un octeto de electrones en la capa de valencia. No todos los iones que podrían predecirse siguiendo esta regla se forman en realidad. Por ejemplo, pocos iones monoatómicos tienen carga de 4 + , y ningún ion monoatómico tiene carga de 4—. Los átomos del grupo IVA tienden a enlazarse de otra manera (véase sección 5. 5).
EJEMPLO 5. 3. Pronostique la carga de un ion calcio y la de un ion bromuro, y deduzca la fórmula del
bromuro de calcio.
La configuración electrónica del átomo de calcio es
Ca 2 8 8 2
Al perder dos electrones, el calcio logra la configuración electrónica del argón y por tanto, adquiere carga de 2+.
Ca2" 2 8 8
El átomo de bromo tiene la configuración
Br 2 8 18 7
Al ganar un electrón, el átomo de bromo alcanza la configuración electrónica del kryptón y también adquiere carga de 1—. Por tanto, los dos iones que se forman son Ca2+ y Como el bromuro de calcio no puede tener carga neta, debe haber dos iones bromuro por cada ion calcio; por tanto, la fórmula es CaBr,.
La naturaleza iónica de estos compuestos se demuestra experimentalmente al hacer que los iones transmitan una corriente eléctrica. Si se disuelve en agua un compuesto iónico y se colocan en la solución los electrodos de un aparato como el que se muestra en la figura 5-2, dicha solución conduce la electricidad cuando los electrodos se conectan a las terminales de una batería. Cada tipo de ion se desplaza hacia el electrodo que tiene carga opuesta. Los iones con carga positiva se denomi- nan cationes, y los que tienen carga negativa aniones. Por consiguiente, los cationes emigran al electrodo negativo y los aniones al electrodo positivo. Para que exista conducción de electricidad es preciso que los iones puedan moverse. En estado sólido los compuestos iónicos no son conductores; sin embargo, al calentarlos hasta que se fundan o al disolverlos en agua, el líquido resultante conduce la electricidad porque en estado líquido los iones tienen libertad para desplazarse.