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Física y Química 3.º ESO · Átomos, moléculas y cristales

¿Por qué se unen los átomos? El enlace químico

Objetivo: Al terminar, sabrás explicar qué es un enlace químico, por qué los átomos se unen (el conjunto unido es más estable, tiene menos energía) y por qué los gases nobles casi no forman enlaces.

Explicación

Los átomos casi nunca están solos

Ya sabes que el oxígeno del aire es $\text{O}_2$ , que el agua es $\text{H}_2\text{O}$ y que la sal o los metales son cristales. Salvo los gases nobles, los átomos casi nunca están sueltos: están unidos a otros átomos.

El enlace químico es la unión entre átomos (o iones) que da lugar a las moléculas y a los cristales.

¿Por qué se unen?

Los átomos se unen porque el conjunto unido es más estable que los átomos separados: tiene menos energía.

Piensa en una pelota en lo alto de una colina: tiende a caer al valle, donde tiene menos energía y está más estable. Para volver a subirla hay que darle energía. Con los átomos pasa algo parecido:

Al formarse un enlace se desprende energía (los átomos «caen al valle»).
Para romper un enlace hay que aportar energía (hay que «subir la pelota»).

Por ejemplo, cuando el hidrógeno arde y forma agua se desprende muchísima energía (es el combustible de algunos cohetes). Al revés, para separar el agua en hidrógeno y oxígeno hay que gastar energía eléctrica (electrólisis).

Los electrones de la última capa

En los enlaces intervienen los electrones de la última capa (electrones de valencia). Al unirse, los átomos los ceden, los ganan o los comparten.

El caso de los gases nobles

Los gases nobles tienen su última capa completa: 8 electrones (el helio, 2, en su única capa).

Gas noble	Electrones por capas
He	2
Ne	2, 8
Ar	2, 8, 8

Esa configuración es muy estable: no ganan nada uniéndose a otros átomos, así que casi no forman enlaces y existen como átomos aislados. Los demás átomos, al enlazarse, tienden a conseguir una última capa como la del gas noble más cercano. (Solo se conocen algunos compuestos de los gases nobles más pesados, como el xenón, y hay que forzarlos mucho para obtenerlos).

Puntos clave

El enlace químico es la unión entre átomos (o iones) que forma moléculas y cristales.
Los átomos se unen porque el conjunto tiene menos energía: es más estable.
Al formarse un enlace se desprende energía; para romperlo hay que aportarla.
En el enlace intervienen los electrones de la última capa.
Los gases nobles tienen la última capa completa (8 electrones; 2 el helio): son muy estables y casi no forman enlaces.

Errores frecuentes

ErrorPensar que para formar un enlace hay que dar energía y que romperlo la libera.
Cómo corregirloEs al revés: al formarse un enlace se libera energía (el conjunto queda más estable) y para romperlo hay que aportarla.
ErrorDecir que los gases nobles no se unen porque son gases.
Cómo corregirloEl oxígeno o el nitrógeno también son gases y forman enlaces. Los gases nobles no se unen porque su última capa está completa.
ErrorCreer que en el enlace intervienen todos los electrones del átomo.
Cómo corregirloSolo intervienen los de la última capa; los de las capas internas no participan.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Un globo de helio y el oxígeno que respiras situación real
El helio de un globo está formado por átomos sueltos (He), pero el oxígeno que respiramos está formado por moléculas ( $\text{O}_2$ ) y el hidrógeno, también ( $\text{H}_2$ ). ¿Por qué el helio no forma moléculas $\text{He}_2$ ?

Resolución
1. El helio ( $Z = 2$ ) tiene 2 electrones en su única capa: la tiene completa. Es una configuración muy estable; al unirse a otro átomo no ganaría estabilidad, así que no forma enlaces.
2. El oxígeno ( $Z = 8$ : 2, 6) y el hidrógeno ( $Z = 1$ : 1) no tienen la última capa completa. Al unirse dos átomos forman una molécula con menos energía que los átomos sueltos: más estable.
3. Por eso el helio está como átomos aislados y el oxígeno y el hidrógeno, como moléculas.
Ejemplo 2. Formar y romper enlaces: energía experimental (energía)
Cuando se acerca una llama a una mezcla de hidrógeno y oxígeno se produce una explosión y se forma agua. En cambio, para descomponer agua en hidrógeno y oxígeno hay que conectarla a una pila durante un buen rato (electrólisis). Explica estas dos observaciones con la idea de estabilidad del enlace.

Resolución
- Formación del agua: $2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$ . Los enlaces del agua forman un conjunto más estable (con menos energía); la diferencia de energía se desprende como calor y luz, por eso hay explosión.
- Electrólisis: $2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{H}_2 + \text{O}_2$ . Para romper los enlaces del agua hay que aportar energía (la eléctrica de la pila), como para subir la pelota a la colina.
Conclusión: el agua es más estable que el hidrógeno y el oxígeno por separado.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Explica con tus palabras qué es un enlace químico y por qué se forma.

Ver solución
Es la unión entre átomos (o iones) que forma moléculas o cristales; se forma porque el conjunto unido tiene menos energía y es más estable que los átomos separados.
Un enlace químico es la unión entre átomos (o iones). Se forma porque los átomos unidos tienen menos energía que separados, es decir, el conjunto es más estable. Al formarse se desprende energía.
2. Media
Escribe la distribución por capas de los átomos con $Z = 9$ , $Z = 10$ , $Z = 11$ y $Z = 18$ . ¿Cuáles tienen la última capa completa? ¿Cuáles formarán enlaces con facilidad?
Ver solución
Z = 9: 2, 7. Z = 10: 2, 8. Z = 11: 2, 8, 1. Z = 18: 2, 8, 8. Tienen la última capa completa Z = 10 (neón) y Z = 18 (argón); forman enlaces con facilidad Z = 9 (flúor) y Z = 11 (sodio).
- $Z = 9$ (flúor): 2, 7 → le falta 1 electrón; formará enlaces.
- $Z = 10$ (neón): 2, 8 → última capa completa; gas noble.
- $Z = 11$ (sodio): 2, 8, 1 → le sobra 1 electrón; formará enlaces.
- $Z = 18$ (argón): 2, 8, 8 → última capa completa; gas noble.
3. Fácil
Di si es verdadero o falso y corrige las falsas: a) Cuando dos átomos forman un enlace se desprende energía. b) Para romper un enlace no hace falta energía. c) Los gases nobles casi no forman enlaces porque su última capa está completa. d) En los enlaces participan los electrones de todas las capas.

Ver solución
a) V. b) F: hay que aportar energía. c) V. d) F: solo los de la última capa.
a) Verdadero: el conjunto queda con menos energía y la diferencia se desprende. b) Falso: para romper un enlace hay que aportar energía. c) Verdadero. d) Falso: solo participan los electrones de la última capa.
4. Difícil
El sodio ( $Z = 11$ ) y el cloro ( $Z = 17$ ) forman con facilidad la sal común. a) Escribe sus distribuciones por capas. b) ¿Cuál es el gas noble más cercano a cada uno en la tabla? c) ¿Qué tendría que hacer cada átomo con sus electrones para quedar con la última capa como la de ese gas noble?

Ver solución
a) Na: 2, 8, 1; Cl: 2, 8, 7. b) Na: neón; Cl: argón. c) El sodio, perder 1 electrón; el cloro, ganar 1.
a) Na: 2, 8, 1. Cl: 2, 8, 7. b) El sodio va justo después del neón ( $Z = 10$ : 2, 8); el cloro, justo antes del argón ( $Z = 18$ : 2, 8, 8). c) Si el sodio pierde 1 electrón queda con 2, 8, como el neón ( $\text{Na}^+$ ). Si el cloro gana 1 electrón queda con 2, 8, 8, como el argón ( $\text{Cl}^-$ ). El sodio cede su electrón al cloro y los dos quedan más estables.

Para practicar más

1. Fácil
En la naturaleza no se encuentran átomos sueltos de oxígeno, cloro o sodio, pero sí de argón o de neón. Explica por qué.

Ver solución
Ar y Ne son gases nobles con la última capa completa: son estables solos. O, Cl y Na se unen a otros átomos porque así quedan más estables.
El argón y el neón son gases nobles: tienen la última capa completa (8 electrones) y son muy estables como átomos sueltos, así que casi no forman enlaces. El oxígeno, el cloro y el sodio no tienen la última capa completa; unidos a otros átomos forman conjuntos con menos energía, más estables, y por eso siempre aparecen formando moléculas o cristales ( $\text{O}_2$ , $\text{NaCl}$ …).
2. Media
En algunos restaurantes, para que el vino de una botella abierta no se estropee, se inyecta argón en la botella: el argón desplaza el aire y evita que el oxígeno reaccione con el vino. Relaciona este uso con la distribución de electrones del argón.

Ver solución
El argón (2, 8, 8) tiene la última capa completa: es muy estable y no reacciona con el vino; además desplaza el oxígeno del aire, que sí lo estropearía.
El argón ( $Z = 18$ ) tiene la distribución 2, 8, 8: su última capa está completa. Por eso es muy estable, casi no forma enlaces y no reacciona con el vino. Al ocupar el espacio que queda sobre el vino, desplaza el aire y evita que el oxígeno lo estropee.
3. Media
Un compañero dice: «Para que se forme la molécula de hidrógeno, $\text{H}_2$ , hay que darle energía a los dos átomos, y cuando se rompe se libera energía». ¿Tiene razón? Corrige su frase.

Ver solución
No: al formarse $\text{H}_2$ se desprende energía y para romperla hay que aportarla.
No tiene razón: lo dice al revés. Dos átomos de hidrógeno unidos tienen menos energía que separados. Por eso, al formarse la molécula se desprende energía, y para romperla hay que aportar esa misma energía.
4. Difícil
Un átomo tiene 12 electrones. a) Escribe su distribución por capas. b) ¿Es estable solo o tenderá a formar enlaces? c) ¿Cuál es el gas noble más cercano y qué tendría que hacer el átomo para quedar como él?

Ver solución
a) 2, 8, 2. b) Tenderá a formar enlaces. c) El neón; perder 2 electrones.
a) $Z = 12$ (magnesio): 2, 8, 2. b) Su última capa (2 electrones) no está completa: tenderá a formar enlaces. c) El gas noble más cercano es el neón (2, 8). Si pierde los 2 electrones de su última capa queda como él: $\text{Mg}^{2+}$ .