Estructura 2. Modelos de enlace y estructura. 2.1. El modelo iónico.

 ¿Qué determina la naturaleza y propiedades iónicas de un compuesto? 4 h.

Los elementos químicos tienden a formar iones para de esa forma adquirir la configuración electrónica del gas noble más cercano en la tabla periódica, es decir, s²p⁶, el octeto electrónico de Lewis. Para ello, los metales de los grupos 1 y 2 pierden 1 y 2 electrones respectivamente para formar cationes, mientras que los no metales de los grupos 16 y 17 ganan 2 y 1 electrones para formar aniones. Nótese la evidente relación de la posición de elemento en la tabla periódica y el ion que forma.

La formación de cationes se correlaciona bien con los bajos potenciales de ionización de los metales y la de aniones con las altas afinidades electrónicas de los no metales. Estudiaremos estas propiedades más adelante.

El enlace iónico aparece cuando dos átomos de elementos de muy diferente electronegatividad se aproximan, y el más electronegativo le arranca uno o más electrones al otro, formándose así sendos iones de distinto signo, que a continuación, se atraen por medio de fuerzas electrostáticas de Coulomb. Generalmente, los iones resultantes suelen cumplir la regla del octeto.

Para que el enlace iónico se forme, la diferencia de electronegatividad entre los dos elementos implicados debe ser superior a 1.8, si es inferior, el enlace será covalente polar, y si es 0, covalente.

Naturalmente, esto no ocurre entre dos átomos, sino que es un fenómeno que implica un enorme número de ellos, y el resultado es un compuesto sólido, en el que los iones están distribuidos por la estructura de manera que la energía de interacción se minimiza, teniendo en cuenta fundamentalmente dos factores: la carga de los iones (que determina la estequiometría del compuesto) y su tamaño relativo.

Los iones se distribuyen espacialmente para minimizar la energía potencial de la interacción entre ellos. El resultado son diferentes estructuras iónicas, que vienen determinadas por las cargas de los iones y la relación de tamaños de estos:

El enlace iónico es muy fácil de modelizar, debido a que es posible cuantificar las interacciones entre los átomos mediante la ley de Coulomb. Al hacerlo, resulta una expresión matemática para la magnitud que va a medir dicha interacción: la energía reticular. Se denomina energía reticular a la energía desprendida cuando se forma un mol de compuesto iónico sólido a partir de los iones en fase gaseosa:

Donde:

• K=9·10⁹ N·m²/C², constante electrostática
• A: constante de Madelung, típica de cada estructura (ver tabla abajo)
• N_A=6.02·10²³, número de Avogadro
• Z₊, Z_-: cargas de los iones
• e=1.6·10^-19 C, carga del electrón
• d₀: distancia interiónica
• n=parámetro de compresibilidad de la red, que depende de las configuraciones electrónicas de los iones (ver tabla abajo)

Estructura	Constante de Madelung
NaCl	1.7476
CsCl	1.7627
ZnS (blenda)	1.6380
ZnS (wurtzita)	1.6413
CaF2	2.5194
TiO2	2.3850

Tipo de ión	Ejemplo	n
He	LiH	5
Ne	NaF, MgO	7
Ar	KCl, CaS, CuCl	9
Kr	RbBr, AgBr	10
Xe	CsI	12

Cuando sean iones distintos, se toma la media.

Calculador de energías reticulares

Lo más importante de esta expresión es que muestra que los parámetros críticos que determinan la energía reticular son, en este orden: el producto de las cargas y la distancia interiónica. 

Los valores de energía reticular calculados con esta expresión no se pueden cotejar directamente con valores experimentales, debido a que no es posible medir directamente esta magnitud. Sin embargo, se pueden obtener valores semiempíricos mediante un ciclo termodinámico denominado ciclo de Born-Haber. Por ejemplo, para el NaCl:

Ejercicios del ciclo de Born-Haber

Problemas enlace iónico

Los compuestos iónicos presentan las siguientes propiedades generales:

• Altos puntos de fusión y ebullición, debido a la fortaleza del enlace iónico (alta energía reticular).
• Frágiles y exfoliables, pues un pequeño golpe seco basta para enfrentar iones de distinto signo y producir la repulsión y rotura del cristal.
• Duros, pues rayar el material supone arrancar iones que están fuertemente unidos entre sí por las fuerzas electrostáticas.
• Son aislantes eléctricos y térmicos en estado sólido, pero conducen la electricidad en estado fundido, por la presencia de iones libres.
• Suelen ser solubles en agua, debido a que el agua, que es una molécula polar, es capaz de interactuar con los iones y unirse a ellos en un proceso que se denomina hidratación. Los compuestos iónicos no solubles en agua lo son porque la interacción entre los iones es más fuerte que con el agua.