Fases condensades i sòlids: apunts i propietats

I 0 flashcards i 4 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS QUÍMICA GENERAL I INORGÀNICA Grau en Farmàcia Universitat de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apunts complets de Química Inorgànica sobre sòlids moleculars, covalents, iònics i metàl·lics, energia reticular, solubilitat i regles de Fajans.

APREN.AI Índex 1 Estats de la matèria, forces intermoleculars i sòlids moleculars Classificació general dels sòlids Forces intermoleculars en sòlids moleculars Propietats dels sòlids moleculars 2 Sòlids covalents i al·lotropia del carboni Formes al·lotròpiques del carboni Propietats dels cristalls covalents 3 Sòlids iònics: energia reticular, propietats i solubilitat Energia reticular ( ) Propietats dels sòlids iònics Solubilitat dels sòlids iònics 4 Covalència en l'enllaç iònic (Regles de Fajans) i sòlids metàl·lics Regles de Fajans Sòlids metàl·lics i enllaç metàl·lic Propietats dels sòlids metàl·lics Quadre comparatiu general dels sòlids 5 Formulari Energia reticular i xarxes iòniques Equilibri de solubilitat i quocient de reacció Regles de Fajans (predicció de covalència) Classificació de sòlids i propietats generals Errors típics Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. U R Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 1 1 Estats de la matèria, forces intermoleculars i sòlids moleculars EN ACABAR SABRÀS Identificar i diferenciar els diferents tipus de forces intermoleculars. Justificar les anomalies dels punts de fusió i ebullició segons les interaccions. Explicar la relació entre polaritzabilitat, massa molecular i forces de London. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què el gel flota a l'aigua líquida si gairebé tots els sòlids són més densos que la seva fase líquida?

Els estats d'agregació depenen del balanç entre l'energia cinètica tèrmica i les forces d'atracció entre partícules. En la fase gasosa, les molècules es troben molt separades, tenen gran llibertat de moviment aleatori i presenten densitats reduïdes perquè l'energia tèrmica supera qualsevol atracció cohesionadora. En els líquids i sòlids, denominats fases condensades, les distàncies interparticulars disminueixen notablement i la densitat augmenta a causa de l'efecte predominant de les forces atractives.

Estat Distància entre partícules Mobilitat i posicions Fluïdesa Densitat i cohesió Gas Molt gran Moviment aleatori constant; posicions variables Fluid Densitat molt baixa; sense cohesió efectiva Líquid Molt petita Moviment relatiu lliure; posicions no fixes Fluid Cohesió més gran que l'energia tèrmica Sòlid Mínima (contacte) Posicions fixes; moviments restringits a vibració No fluid (viscós / rígid) Densitat alta; forces atractives màximes Classificació general dels sòlids Segons la natura dels enllaços i de les forces d'unió, els materials sòlids s'estructuren en quatre categories essencials: Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 2 ESQUEMA Classificació dels sòlids segons l'enllaç Sòlids moleculars: constituïts per molècules discretes unides mitjançant forces intermoleculars.

Sòlids covalents: xarxes d'àtoms enllaçats per enllaços covalents continus. Sòlids iònics: xarxes tridimensionals d'anions i cations units per atracció electroestàtica. Sòlids metàl·lics: cations envoltats per un mar d'electrons deslocalitzats. Forces intermoleculars en sòlids moleculars Dins d'una molècula, els enllaços covalents uneixen els àtoms. En canvi, la cohesió del cristall molecular sencer depèn de les forces intermoleculars, d'intensitat molt menor que els enllaços intramoleculars. 1.

Enllaç o pont d'hidrogen DEFINICIÓ L'enllaç d'hidrogen és una interacció electroestàtica altament direccional establerta entre un àtom d'hidrogen polaritzat positivament ( , unit a un àtom X molt electronegatiu) i un parell d'electrons solitaris d'una base o àtom acceptor B ( ). Com més gran sigui l'electronegativitat ( ) de l'àtom X, major és la densitat de càrrega positiva sobre l'hidrogen i més intensa resulta la força electroestàtica. L'enllaç d'hidrogen és estrictament direccional: requereix una orientació espacial concreta entre l'orbital que allotja el parell no enllaçant de l'acceptor i l'enllaç covalent polar donor.

Sòlids moleculars Forces intermoleculars Sòlids covalents Xarxes d'enllaços covalents Sòlids iònics Atracció electroestàtica en xarxa Sòlids metàl·lics Cations en mar d'electrons X Hδ+ : B χ Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 3 Esquema de l'enllaç d'hidrogen tetraèdric a l'aigua. Diagrama de cadenes de ponts d'hidrogen al fluorur d'hidrogen. Esquema d'enllaços d'hidrogen a l'àcid bòric. Una mateixa substància pot actuar simultàniament com a donadora i acceptora d'enllaços d'hidrogen. L'exemple paradigmàtic és l'aigua ( ), en què cada àtom d'oxigen pot establir quatre interaccions tetraèdriques (dues com a donador i dues com a acceptor mitjançant els seus dos parells solitaris).

Aquesta xarxa cristal·lina oberta al gel fa que la densitat del sòlid sigui anòmalament inferior a la de l'aigua líquida. Altres compostos que formen xarxes d'enllaços d'hidrogen són el fluorur d'hidrogen sòlid ( ) o l'àcid bòric ( ). H O 2 HF (s) H BO 3 3(s) Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 4 COMPROVA-HO 2 Per què l'enllaç d'hidrogen requereix una orientació espacial estricta a diferència d'altres atraccions electroestàtiques simples? 2. Forces de Van der Waals: dipol-dipol Les forces dipol-dipol s'originen per la interacció electroestàtica entre molècules que posseeixen un moment dipolar permanent ( ), mesurat en Debye (D).

Els extrems positius d'un dipol atreuen els extrems negatius dels dipols veïns. Diagrama d'alineament electroestàtic en interaccions dipol-dipol. Aquestes interaccions tenen caràcter direccional, encara que menys marcat que el pont d'hidrogen. La presència d'un moment dipolar permanent augmenta els punts de fusió respecte a espècies no polars de mida comparable: Molècula Moment dipolar ( / D) Punt de fusió / K 0 77,3 0 90,19 NO 1,153 121,39 3. Forces de dispersió o de London Les forces de dispersió de London actuen entre tot tipus de molècules, fins i tot en aquelles completament apolars ( ).

Qualsevol fluctuació instantània del núvol electrònic trenca la simetria de càrrega i crea un dipol instantani, el qual indueix dipols instantanis en les molècules adjacents. La facilitat per distorsionar el núvol d'electrons s'anomena polaritzabilitat (P).

Com més gran és la massa molecular i el volum electrònic, major és la polaritzabilitat, provocant forces de dispersió més intenses i un augment en els punts de fusió (PF) i d'ebullició (PE): De forma general, per a espècies de mida semblant, la intensitat relativa és: μ μ N 2 O 2 μ = 0 Massa Molecular P PF , PE ponts d'hidrogen > forces dipol-dipol forces de dispersio ˊ Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 5 ERROR FREQÜENT Pensar que una molècula amb major moment dipolar sempre tindrà un punt de fusió més elevat. Si la massa molecular creix significativament, les forces de dispersió poden superar la contribució del dipol permanent.

Per exemple, entre IBr ( , ) i ICl ( , ), IBr fon a temperatura superior perquè la seva massa molecular és més gran i les forces de dispersió predominen, tot i tenir menys moment dipolar. Tendències en els punts d'ebullició dels hidrurs moleculars Gràfica dels punts d'ebullició dels hidrurs moleculars. Als hidrurs dels períodes 3 a 5 dels grups de la taula periòdica ( a ; HCl a HI; a ; a ), les temperatures de transició de fase augmenten cap avall en el grup pel creixement continu de la massa molecular i de les forces de dispersió.

En canvi, en el segon període, , HF i mostren punts d'ebullició molt més alts que la resta del seu grup a causa de l'elevada electronegativitat de l'O, F i N i la formació d'enllaços d'hidrogen. El metà ( ) n'és l'excepció al segon període: no disposa de parells d'electrons solitaris sobre el carboni, per la qual cosa no pot establir ponts d'hidrogen i manté el valor més baix del seu grup. Propietats dels sòlids moleculars Punts de fusió i ebullició baixos: les forces que mantenen unides les molècules en el reticle són intermoleculars i febles en comparació amb els enllaços químics veritables.

PF = 313 K μ = 0,73 D PF = 300 K μ = 1,24 D H S 2 H Te 2 PH 3 SbH3 SiH 4 SnH 4 H O 2 NH 3 CH 4 Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 6 Duresa baixa i fragilitat: són tous, però es fracturen fàcilment perquè la direccionalitat dels enllaços (com els d'hidrogen) no tolera deformacions mecàniques sense trencar-se. Aïllants tèrmics i elèctrics: els electrons de valència estan completament confinats en els enllaços covalents intramoleculars o com a parells lliures; sense càrregues lliures que es desplacin no hi ha conductivitat. IDEES CLAU L'enllaç d'hidrogen requereix un H unit a un àtom molt electronegatiu i un parell d'electrons solitaris d'una base acceptora.

Les forces de dispersió de London apareixen per dipols instantanis i depenen de la massa molecular i de la polaritzabilitat. Quan la massa molecular és gairebé idèntica, el moment dipolar marca el punt de transició; si la diferència de massa és gran, les forces de London poden dominar. L'aigua sòlida és menys densa que la líquida per l'estructura tetraèdrica oberta fixada pels enllaços d'hidrogen. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 3. Per què el metà ( ) té un punt d'ebullició molt inferior al de l'aigua ( ) malgrat tenir masses moleculars similars? 4. Per quina raó el punt de fusió d'IBr és més gran que el d'ICl si aquest darrer té un moment dipolar més alt? Test Encercla la resposta correcta.

Les solucions són al final. 5. Quina condició és necessària perquè una espècie actuï com a acceptora de ponts d'hidrogen? 6. Com varia la polaritzabilitat quan augmenta la massa molecular? 7. Per què els sòlids moleculars són aïllants del corrent elèctric?

CH 4 H O 2 Estar unida covalentment al fòsfor a) Tenir una massa molecular alta b) Tenir un parell d'electrons solitaris c) Manca de densitat electrònica d) Disminueix considerablement a) Es manté sempre constant b) Augmenta afavorint forces de London c) Inverteix el signe dipolar d) Els electrons estan localitzats a) Es dissolen de forma instantània b) Contenen cations altament mòbils c) Tenen un mar d'electrons d) Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 7 8. Quina substància presenta una anomalia als punts d'ebullició del període 2 per manca de ponts d'H?

2 Sòlids covalents i al·lotropia del carboni EN ACABAR SABRÀS Descriure les diferències estructurals entre les formes al·lotròpiques del carboni. Relacionar la hibridació atòmica amb la conductivitat i duresa dels sòlids covalents. Comprendre el concepte d'espècies isoelectròniques com el nitrur de bor. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 9 Com pot ser que el diamant i el grafit, estant fets exactament del mateix element, tinguin propietats mecàniques i elèctriques oposades? A diferència dels sòlids moleculars, els sòlids covalents no presenten unitats moleculars individuals aïllades.

Es componen d'estructures reticulars tridimensionals contínues formades per un nombre pràcticament infinit d'àtoms units mitjançant forts enllaços covalents. En aquestes xarxes, cada àtom satisfà la regla de l'octet mitjançant hibridacions atòmiques específiques. Formes al·lotròpiques del carboni El carboni ([He] ) presenta diversos estats al·lotròpics sòlids que exemplifiquen com la geometria de l'enllaç determina radicalment les propietats del material: 1. Diamant Al diamant, cada àtom de carboni presenta hibridació i s'uneix mitjançant enllaços senzills a altres quatre àtoms de carboni en disposició tetraèdrica perfectament regular. Això genera un reticle rígid i compacte.

Duresa extrema: és una de les substàncies naturals més dures conegudes. Punts de fusió molt alts: es requereix una quantitat immensa d'energia per trencar la xarxa contínua d'enllaços covalents. Aïllant elèctric: els quatre electrons de valència estan immobilitzats en enllaços sigma localitzats. 2. Grafit Al grafit, els àtoms de carboni tenen hibridació i formen làmines planes d'anells hexagonals. Dins de cada capa, els àtoms s'uneixen mitjançant enllaços forts , mentre que els orbitals no hibridats s'encavalquen lateralment per establir un sistema conjugat d'enllaços deslocalitzats.

HF a) H O b) CH c) NH d) 2s 2p 2 2 sp3 σ sp2 σ p z π Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 8 Conductivitat elèctrica anisòtropa: és conductor de l'electricitat al llarg de les capes en la direcció dels orbitals p gràcies a la mobilitat dels electrons pi deslocalitzats. Exfoliació i poca duresa: les capes adjacents s'uneixen únicament mitjançant forces intermoleculars molt febles; per això les làmines poden lliscar fàcilment les unes sobre les altres, atorgant-li tacte tou i propietats lubricants. COMPROVA-HO 10 Per què el grafit condueix l'electricitat en determinades direccions mentre que el diamant és un aïllant total? 3.

Grafè i nanotubs de carboni El grafè constitueix una làmina única de grafit amb el gruix d'un sol àtom. D'altra banda, els nanotubs de carboni representen una altra varietat al·lotròpica l'estructura de la qual equival formalment a enrotllar sobre si mateixa una làmina de grafè en forma de cilindre buit. 4. Nitrur de bor (BN) El nitrur de bor és una substància isoelectrònica amb el grafit. Cada capa conté exactament el mateix nombre d'electrons que la xarxa del grafit, establint estructures cristal·lines anàlogues.

Propietats dels cristalls covalents La presència d'enllaços covalents continus en tota l'extensió reticular atorga a aquests sòlids trets molt distintius: Propietat Comportament Causa estructural Punt de fusió Extremadament elevat ( ) Cal trencar enllaços covalents molt forts en tota la xarxa tridimensional Duresa Molt alta (ex.: diamant, , SiC) Enllaços d'alta energia i estructura geomètrica fixa Fragilitat mecànica Fràgils Els enllaços són estrictament direccionals; una tensió trenca la continuïtat de l'enllaç Conductivitat elèctrica i tèrmica Mals conductors (aïllants o semiconductors) Electrons de valència confinats (llevat de plans deslocalitzats com al grafit) PER RECORDAR-HO Tot sòlid molt dur amb punts de fusió superiors a mil graus que contingui elements de la zona central i no metàl·lica de la taula periòdica (C, Si, B) acostuma a ser un cristall covalent tridimensional.

1400 - 4300 C SiO 2 Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 9 IDEES CLAU Els sòlids covalents consisteixen en xarxes infinites d'àtoms units covalentment, sense molècules independents. El diamant conté carbonis sp3 tetraèdrics que el fan duríssim i aïllant elèctric. El grafit té plans sp2 amb enllaços pi deslocalitzats que permeten la conducció elèctrica planar i forces febles interlaminars que en faciliten l'exfoliació. El nitrur de bor (BN) és isoelectrònic amb el carboni en la seva forma de grafit. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 11. Quina és la diferència clau entre el grafè i els nanotubs de carboni? 12. Per què els sòlids covalents són tan fràgils davant d'impactes mecànics forts?

Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 13. Quina hibridació tenen els àtoms de carboni en el reticle del diamant? 14. Què confereix al grafit la seva propietat d'exfoliació? 15. Quin compost covalent és isoelectrònic amb el grafit? 16. Quin rang aproximat de temperatures de fusió caracteritza els sòlids covalents?

sp³ a) dsp² b) sp² c) sp d) Enllaços iònics interns a) Hibridació tetraèdrica rígida b) Presència d'enllaços metàl·lics c) Forces intermoleculars febles entre capes d) SiC a) BN b) SiO c) GeO d) 1 - 675 ºC a) 1400 - 4300 ºC b) 200 - 800 ºC c) 50 - 200 ºC d) Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 10 3 Sòlids iònics: energia reticular, propietats i solubilitat EN ACABAR SABRÀS Comprendre l'expressió i factors determinants de l'energia reticular. Relacionar la fragilitat dels cristalls iònics amb la seva estructura geomètrica. Predir tendències relatives de solubilitat combinant càrregues i radis iònics.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 17 Per què la sal comuna sòlida no condueix l'electricitat però quan la fons o la dissol en aigua és una excel·lent conductora? Els sòlids iònics es formen entre elements amb una gran diferència d'electronegativitat. L'espècie metàl·lica, de baixa electronegativitat, cedeix electrons de valència i forma cations; l'espècie no metàl·lica, altament electronegativa, els capta formant anions. L'enllaç iònic és una unió electroestàtica o coulómbica no direccional que s'estén formant una xarxa cristal·lina tridimensional infinita.

Per exemple, en la formació del clorur de sodi (NaCl): Energia reticular ( ) DEFINICIÓ L'energia reticular ( ) és l'energia que es desprèn en passar d'un conjunt d'ions de càrregues oposades en estat gasós separats a l'infinit, a tenir-los formant un mol de xarxa cristal·lina sòlida. Per a un parell de partícules carregades aïllades a distància : En el cristall complet cal considerar tant les atraccions catió-anió com les repulsions entre ions del mateix signe en tot el reticle.

Per a un mol de compost, s'introdueixen el nombre d'Avogadro ( ) i la constant de Madelung (M), que depèn exclusivament de la geometria de la xarxa: En comparar compostos amb la mateixa ordenació estructural (M constant), la magnitud de l'energia reticular depèn directament de dos factors: Na : [Ne]3s Na : 1 + [Ne] + 1e Cl : [Ne]3s 3p + 2 5 1e Cl : [Ar] U R U R d E = 4πε d 0 Z Z e A B 2 N = A 6,022 1023 U = (R) M 4πε d 0 Z Z e N A B 2 A Producte de les càrregues iòniques: . Càrregues més grans augmenten notablement l'energia despresa i la cohesió.

1 U Z Z R A B Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 11 Compost Càrregues ( ) Punt de fusió / ºC Efecte sobre la xarxa MgO +2 / -2 2800 Radi petit de ; energia reticular màxima CaO +2 / -2 2580 Radi creixent del catió alcalinotèrria SrO +2 / -2 2430 Distància interiònica més gran BaO +2 / -2 1923 Radi més gran de ; menor atracció reticular De la mateixa manera, comparant fluorurs d'elements del període 3 amb diferent càrrega del catió: Compost Càrrega del catió Punt de fusió / ºC NaF +1 1285 +2 1534 +3 1545 Propietats dels sòlids iònics Punts de fusió alts ( ): reflex de la gran estabilitat de la xarxa electroestàtica.

Duresa i fragilitat mecànica: són durs, però si una força demana un petit desplaçament de les capes, els ions de la mateixa càrrega queden enfrontats i les repulsions electroestàtiques fracturen sobtadament el cristall. Esquema de fractura per repulsió en sòlids iònics sotmesos a esforç. Conductivitat elèctrica: en estat sòlid són aïllants perquè els ions ocupen llocs fixos. En canvi, en estat líquid (fos) o dissolts en aigua, els ions gaudeixen de mobilitat per transportar corrent elèctric. Distància interiònica: . Quan el radi dels ions augmenta, la distància creix i l'energia reticular disminueix en valor absolut.

2 U R d 1 Z / Z + Mg2+ Ba2+ MgF 2 AlF 3 875 - 3300 C Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 12 COMPROVA-HO 18 Per què un sòlid iònic s'esquerda instantàniament quan s'aplica una força mecànica tangencial? Solubilitat dels sòlids iònics La dissolució d'una sal en aigua implica separar els seus ions mitjançant interaccions dipol-ió amb el solvent. L'equilibri de solubilitat d'un compost general s'expressa: La constant termodinàmica corresponent és el producte de solubilitat ( ): Quan la mescla es troba fora de l'equilibri, s'utilitza el quocient de reacció o producte iònic : : dissolució insaturada (pot dissoldre més quantitat de sòlid). : sistema en equilibri (dissolució saturada).

: dissolució sobresaturada (precipita l'excés de solut sòlid). Diagrama de solvatació d'un catió i un anió en aigua. Comparació esquemàtica d'un reticle insoluble i cations solvatats solubles. Criteris de solubilitat en funció de radis i càrregues La solubilitat disminueix a mesura que augmenta la càrrega dels ions (més energia reticular). Pel que fa a les mides relatives, com més gran és la diferència de radis entre el catió i l'anió, més soluble sol ser la sal; per contra, radis similars afavoreixen un empaquetament reticular molt compacte i insoluble.

M X a b(s) M X a b(s) aM + (aq) z+ bX (aq) y K s K = s [M ] [X ] z+ a y b Q = [M ] [X ] z+ a y b Q < K s Q = K s Q > K s Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 13 Sèrie de compostos Variació de radis Variació del producte de solubilitat ( ) Motiu de la tendència El catió és gran; l'anió és més petit (mida diferent afavoreix solubilitat). El és un anió molt voluminós; interacciona millor amb el gran (insoluble) i pitjor amb el petit (més soluble). L'anió és molt petit; empaqueta millor amb el petit (insoluble) i pitjor amb el gros (més soluble).

ERROR FREQÜENT Confondre les tendències de solubilitat dels sulfats i dels hidròxids alcalinoterris: els sulfats són més solubles com més petit és el catió ( molt soluble), mentre que els hidròxids són més solubles com més gros és el catió ( molt soluble). Això depèn de si l'anió acompanyant és voluminós ( ) o petit ( ).

CAUSES I CONSEQÜÈNCIES Impacte mecànic lateral Desplaça un pla d'ions Alineament de càrregues iguals Positius enfrontats amb positius Fragilitat en sòlids iònics Repulsió electroestàtica sobtada Supera la cohesió de la xarxa Fractura i esquerda neta Ruptura del cristall sense deformació IDEES CLAU L'energia reticular és directament proporcional al producte de les càrregues i inversament proporcional a la distància d'enllaç. Els sòlids iònics condueixen únicament en estat fos o en dissolució aquosa, però no en estat sòlid. La fragilitat iònica resulta de la repulsió sobtada entre càrregues d'igual signe en desplaçar un pla atòmic.

Les sals d'ions amb mides molt dispars tendeixen a ser més solubles que les d'ions de radis similars. K s AgCl > AgBr > AgI radi Cl < radi Br < radi I K > s(AgCl) K > s(AgBr) K s(AgI) Ag+ Cl MgSO > 4 CaSO > 4 SrSO > 4 BaSO4 radi Mg < 2+ radi Ca < 2+ radi Ba2+ K > s(MgSO ) 4 K s(BaSO ) 4 SO 4 2 Ba2+ Mg2+ Mg(OH) < 2 Ca(OH) < 2 Ba(OH) 2 radi Mg < 2+ radi Ba2+ K < s(Mg(OH) ) 2 K s(Ba(OH) ) 2 OH Mg2+ Ba2+ MgSO 4 Ba(OH) 2 SO 4 2 OH Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 14 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 19. Per què el punt de fusió de l'MgO és superior al del BaO? 20. En quina situació cristal·lina una sal és altament soluble segons la compatibilitat de radis?

Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 21. Quin paràmetre geomètric recull les atraccions i repulsions d'una xarxa iònica? 22. Com condueix el corrent una sal iònica sòlida a temperatura ambient? 23. Què succeeix quan en una mescla el producte iònic Q és superior a Ks? 24. Quin sulfat alcalinoterri presenta una solubilitat superior en aigua? 4 Covalència en l'enllaç iònic (Regles de Fajans) i sòlids metàl·lics EN ACABAR SABRÀS Aplicar les regles de Fajans per deduir el caràcter covalent parcial d'un enllaç. Explicar les propietats mecàniques i elèctriques dels metalls mitjançant el model del mar d'electrons.

Distingir i classificar qualsevol compost dins dels quatre tipus principals de sòlids. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 25 Tots els enllaços entre ions positius i negatius són purament electroestàtics al cent per cent? Constant de Madelung a) Factor de Boltzmann b) Permeabilitat del buit c) Polaritzabilitat de volum d) Superconductor de xarxa a) Conductor excel·lent b) Semiconductor intrínsec c) Aïllant elèctric d) L'enllaç esdevé covalent a) La mescla és insaturada b) Augmenta la temperatura reticular c) Es produeix precipitació d) MgSO a) SrSO b) CaSO c) BaSO d) Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 15 L'enllaç iònic ideal i l'enllaç covalent pur són límits extrems.

En la realitat, els enllaços entre partícules carregades solen presentar una certa proporció de caràcter covalent parcial. Els ions reals no són esferes indeformables; l'atracció del catió sobre el núvol electrònic de l'anió en distorsiona la simetria esfèrica, apropant la densitat de càrrega a una compartició electrònica. Diagrama de polarització del núvol electrònic de l'anió per un catió. Regles de Fajans Les regles de Fajans permeten estimar el grau de polarització d'un enllaç iònic i determinar l'augment del seu caràcter covalent a partir de les propietats dels seus ions: COMPROVA-HO 26 Quina combinació d'ions produirà el major caràcter covalent segons les regles de Fajans?

Sòlids metàl·lics i enllaç metàl·lic Els sòlids metàl·lics es formen a partir d'elements situats a l'esquerra i avall de la taula periòdica, caracteritzats per la seva baixa electronegativitat ( baixa) i gran facilitat per perdre electrons. Primer principi (poder polaritzant del catió): un catió és més polaritzant com més gran és la seva càrrega positiva ( ) i més petit és el seu radi ( ). L'increment de la relació càrrega/radi ( ) augmenta el caràcter covalent i redueix el caràcter iònic de l'enllaç. 1 q+ r r q+ Segon principi (polaritzabilitat de l'anió): un anió és més polaritzable com més gran és la seva càrrega negativa i més gros és el seu radi.

Un volum electrònic extens i difús es deforma fàcilment, accentuant el caràcter covalent. 2 Tercer principi (configuració electrònica del catió): la polarització augmenta quan el catió no té estructura electrònica de gas noble. Els cations dels metalls de transició (amb orbitals i estesos que apantallen menys eficaçment la càrrega nuclear) són més polaritzants que els cations de la mateixa mida dels blocs s o p. 3 d f χ Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 16 Esquema del mar d'electrons i de la deformació plàstica en metalls.

L'estructura metàl·lica s'explica mitjançant el model del mar d'electrons: els àtoms metàl·lics s'ordenen com a cations compactes fixos, mentre que els seus electrons de valència es deslocalitzen lliurement per tota la xarxa constituint un núvol itinerant que manté el conjunt cohesionat mitjançant atraccions omnidireccionals. Propietats dels sòlids metàl·lics Ductilitat i mal·leabilitat: atès que l'enllaç metàl·lic no és direccional, les capes de cations poden lliscar les unes sobre les altres sota pressió sense trencar la cohesió del mar d'electrons circumdant. No són fràgils.

Conductivitat elèctrica i tèrmica excel·lents: els electrons mòbils es desplacen ràpidament a través del cristall transportant corrent elèctric i energia tèrmica. Punts de fusió elevats ( ): reflex de la forta atracció entre els cations i el gas d'electrons, tot i que existeixen excepcions notables de baix punt de fusió com el mercuri, l'estany i el plom. Duresa variable: depèn de l'empaquetament i de la densitat de càrrega electrònica del metall.

Quadre comparatiu general dels sòlids Tipus de sòlid Unitats estructurals Forces d'interacció Punt de fusió / ºC Conductivitat elèctrica Exemples típics Metàl·lic Cations i electrons Enllaç metàl·lic (deslocalitzat) 234 - 3700 Conductor excel·lent (sòlid i líquid) K, Ca, Cr, Zn, Pb, U Covalent Àtoms neutres Enllaços covalents continus 1400 - 4300 Aïllant o semiconductor C (diamant), Ge, , SiC, BN 234 - 3700 C SiO 2 Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 17 Tipus de sòlid Unitats estructurals Forces d'interacció Punt de fusió / ºC Conductivitat elèctrica Exemples típics Molecular Molècules discretes Van der Waals i ponts d'H 1 - 675 Aïllant complet Xe, , , , Iònic Cations i anions Atraccions electroestàtiques 875 - 3300 Aïllant (sòlid) / Conductor (líquid o dissolució) NaCl, , ERROR FREQÜENT Classificar sals que contenen ions poliatòmics com l'ió amoni ( ) o el sulfat de potassi ( ) com a sòlids moleculars o covalents.

Tot i que dins de l'ió hi ha enllaços covalents, la unitat que defineix el reticle cristal·lí és d'origen iònic i es comporten com a sòlids iònics. IDEES CLAU Les regles de Fajans descriuen com cations petits i d'alta càrrega polaritzen anions grans atorgant caràcter covalent a l'enllaç. Cations de metalls de transició (sense estructura de gas noble) presenten un caràcter polaritzant més acusat. El model del mar d'electrons explica la conductivitat elèctrica i la capacitat de deformació (mal·leabilitat) dels metalls gràcies a l'enllaç no direccional. Dels quatre tipus de sòlids, només els metàl·lics condueixen l'electricitat en estat sòlid a temperatura ordinària.

COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 27. Per què els metalls es deformen sota impacte (ductilitat) mentre que els sòlids iònics es trenquen? 28. Segons Fajans, per què el clorur de plata (AgCl) té més caràcter covalent que el clorur de sodi (NaCl)? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 29. Quina característica de l'anió afavoreix un major caràcter covalent segons Fajans? Cl 2 SO 2 H O 2 HNO 3 K SO 2 4 NH Br 4 NH Br 4 K SO 2 4 Manca total d'electrons a) Radi gran i càrrega elevada b) Configuració d'àtom lliure c) Radi petit i càrrega baixa d) Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 18 30.

Quin tipus de sòlid condueix l'electricitat tant en fase sòlida com en fase líquida? 31. A quin tipus de sòlid pertany el sulfat de potassi (K SO )? 32. Per què els metalls són dúctils i mal·leables?

5 Formulari Energia reticular i xarxes iòniques Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza : càrregues dels ions; : càrrega elemental; : permitivitat del buit; : distància interiònica Atracció electroestàtica entre dues partícules aïllades : energia reticular molar; : nombre d'Avogadro; : constant de Madelung (geometria) Càlcul i comparació de l'estabilitat energètica d'una xarxa cristal·lina iònica Comparació d'estabilitat iònica: Comprovar Si són iguals, comparar radis ( menor implica major i punt de fusió més alt) : càrrega formal dels ions; : suma de radis iònics Determinar l'ordre relatiu de punts de fusió i duresa entre sals amb la mateixa estructura Equilibri de solubilitat i quocient de reacció Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza : producte de solubilitat; : concentracions molars d'ions en equilibri Quantificar el límit de saturació d'un sòlid poc soluble en aigua Sòlid iònic a) Sòlid metàl·lic b) Sòlid molecular c) Sòlid covalent d) Molecular a) Covalent b) Iònic c) Metàl·lic d) El seu enllaç és no direccional a) Manca d'electrons de valència b) Tenen enllaços direccionals forts c) Tenen repulsions de Coulomb màximes d) E = 4πε d 0 Z Z e A B 2 Z , Z A B e ε 0 d U = R 4πε d 0 Z Z e N A B 2 A M U R N A M Z A Z B d U R Z d = r + + r K = s [M ] z+ a [X ] y b K s [M ], [X ] z+ y M X a b Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 19 Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza Previsió de precipitació: Calcular Si : insaturada Si : equilibri Si : precipita solut : producte iònic fora de l'equilibri Predir si es formarà precipitat en barrejar dissolucions iòniques Regla de compatibilitat de radis: Disparitat de mida ( o ) afavoreix solubilitat Mides iòniques similars afavoreixen precipitació : radi del catió; : radi de l'anió Justificar tendències de solubilitat en sèries d'hidròxids o sulfats Regles de Fajans (predicció de covalència) Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza Poder polaritzant del catió: Calcular relació càrrega/radi Major relació implica major deformació de l'anió i més caràcter covalent : càrrega positiva del catió; : radi catiònic Avaluar la capacitat d'un catió per distorsionar el núvol electrònic adjacent Polaritzabilitat de l'anió: Major càrrega negativa i major radi afavoreixen la distorsió del núvol electrònic : radi aniònic Determinar la facilitat amb què l'anió cedeix densitat a l'enllaç Efecte de subcapa electrònica: Catió sense configuració de gas noble (metalls de transició amb orbitals o ) Polarització màxima Configuració no pseudo-gas noble Explicar caràcter covalent superior en sals de metalls de transició (com ) respecte a alcalins Classificació de sòlids i propietats generals Procediment de determinació Unitats i enllaç Quan s'utilitza Identificar espècies neutres apolars o polars Cohesió per Van der Waals o ponts d'H Punts de fusió baixos i aïllants Sòlid molecular (molècules discretes) Substàncies com , , , gasos nobles o compostos covalents moleculars Identificar xarxes d'àtoms neutres del bloc p (C, Si) Enllaç covalent tridimensional continu Punts de fusió altíssims i gran duresa Sòlid covalent (àtoms) Diamant, grafit, grafè, , SiC, BN Identificar combinació metall + no-metall Xarxa d'atraccions electroestàtiques Fràgils, aïllants sòlids i conductors fosos/dissolts Sòlid iònic (ions) Sals com NaCl, , Identificar elements metàl·lics purs o aliatges Cations en mar d'electrons deslocalitzat Mal·leables, dúctils i conductors elèctrics Sòlid metàl·lic (cations i electrons) Metalls alcalins, alcalinoterris i de transició (Fe, Cu, Na) Q = [M ] z+ a [X ] y b Q < K s Q = K s Q > K s Q r + r r + r r + r r q+ q+ r r r d f Ag+ H O 2 I 2 CH 4 SiO2 M gO K SO 2 4 Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 20 Errors típics Creure que un moment dipolar més gran sempre augmenta el punt d'ebullició: si la diferència de massa molecular és notable, les forces de dispersió de London predominen sobre la interacció dipol-dipol (ex.: IBr fon a temperatura superior a ICl).

Confondre la causa de la fragilitat dels sòlids iònics: no es deu a feblesa de l'enllaç sinó a l'enfrontament sobtat de càrregues del mateix signe quan un esforç mecànic desplaça un pla cristal·lí. Classificar compostos amb oxoanions (com o ) com a covalents o moleculars pel fet de tenir enllaços covalents interns; el reticle cristal·lí és estrictament iònic. K SO 2 4 NH Br 4 Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 21 Solucions de les preguntes de repàs 1. La xarxa tetraèdrica de ponts d'hidrogen fixa les molècules en una estructura oberta amb molt espai buit, disminuint la seva densitat. 2.

Perquè l'atracció s'estableix cap a la regió focalitzada de l'espai on es troba el parell d'electrons no enllaçants de l'acceptor, atorgant un caràcter estrictament direccional a la interacció. 3. Perquè el metà no disposa de parells d'electrons solitaris al carboni i només interacciona per febles forces de dispersió, mentre que l'aigua forma xarxes intenses de ponts d'hidrogen. 4. La massa molecular superior d'IBr confereix una polaritzabilitat més gran i genera forces de dispersió més intenses, superant l'efecte del moment dipolar menor. 5. c) Tenir un parell d'electrons solitaris.

L'acceptor requereix un parell d'electrons no compartits per allotjar la interacció amb l'hidrogen electropositiu. 6. c) Augmenta afavorint forces de London. Un major volum electrònic facilita la distorsió del núvol i l'aparició de dipols instantanis més intensos. 7. a) Els electrons estan localitzats. La localització dels electrons en enllaços covalents i parells solitaris impedeix el flux de càrrega elèctrica. 8. c) CH . El CH no té parells lliures al carboni i només experimenta forces febles de dispersió de London. 9.

La disposició espacial dels àtoms i la hibridació (sp3 tetraèdric al diamant davant sp2 planar amb electrons deslocalitzats al grafit) determinen el comportament físic del material. 10. El grafit disposa d'orbitals p perpendiculars al pla amb electrons deslocalitzats capaços de moure's al llarg de les làmines, mentre que al diamant tots els electrons estan localitzats en enllaços sigma. 11. El grafè és una sola capa atòmica plana hexagonal, mentre que els nanotubs són formalment làmines de grafè enrotllades en forma tubular. 12. A causa del caràcter estrictament direccional dels enllaços covalents; qualsevol deformació trenca els angles d'enllaç i esquerda el cristall. 13. a) sp³.

El diamant presenta hibridació sp3 amb geometria tetraèdrica per a cada carboni. 14. d) Forces intermoleculars febles entre capes. Les làmines planes estan retingudes per atraccions febles, permetent el seu lliscament mecànic. 15. b) BN. El nitrur de bor (BN) té el mateix nombre total d'electrons que la unitat de dos carbonis del grafit. 16. b) 1400 - 4300 ºC. Les xarxes covalents requereixen una energia enorme per fondre's, sovint per sobre dels 1400 ºC. 17. En el sòlid els ions estan immobilitzats al reticle cristal·lí; un cop fos o dissolt, els ions gaudeixen de llibertat de desplaçament transportant el corrent. 18.

Perquè el desplaçament d'un sol pla atòmic enfronta ions del mateix signe, generant una forta repulsió electroestàtica que trenca el bloc de cop. 19. Tots dos tenen càrregues +2 i -2, però el catió magnesi és molt més petit que el bari, cosa que redueix la distància d'enllaç i augmenta l'energia reticular. 20. Quan hi ha una diferència considerable de mida entre el catió i l'anió, ja que les mides semblants afavoreixen la retenció energètica a la xarxa sòlida. Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 22 21. a) Constant de Madelung. La constant de Madelung (M) quantifica l'efecte net de la geometria cristal·lina sobre l'energia reticular. 22. d) Aïllant elèctric.

En el sòlid, els ions ocupen llocs fixos al reticle i no hi ha mobilitat de càrrega. 23. d) Es produeix precipitació. Quan Q > Ks, el sistema sobresaturat restableix l'equilibri precipitant el solut sobrant. 24. a) MgSO . L'anió sulfat és gran i presenta màxima disparitat de mida amb el catió magnesi petit, afavorint la dissolució. 25. No; la capacitat del catió per deformar el núvol electrònic de l'anió introdueix un caràcter covalent parcial segons les regles de Fajans. 26. Un catió molt petit amb càrrega elevada associat a un anió molt gros i altament carregat. 27.

Perquè l'enllaç metàl·lic no és direccional i el mar d'electrons manté la cohesió en lliscar els plans atòmics, mentre que als iònics s'enfronten càrregues iguals causant repulsió. 28. El catió és un metall de transició sense configuració de gas noble, la qual cosa augmenta el seu poder polaritzant respecte al . 29. b) Radi gran i càrrega elevada. Un anió gros i amb càrrega alta presenta un núvol electrònic fàcilment deformable (polaritzable). 30. b) Sòlid metàl·lic. Els sòlids metàl·lics tenen electrons deslocalitzats mòbils en ambdues fases que condueixen sempre. 31. c) Iònic. Està format per cations potassi i anions sulfat que s'estructuren mitjançant enllaç iònic en xarxa. 32.

a) El seu enllaç és no direccional. El caràcter no direccional del mar d'electrons permet el lliscament de capes atòmiques sense fragmentació. Ag+ Na+ Fases condensades i sòlids: apunts i propietats 23