9.3: Enlace Iónico y Transferencia de Electrones

Los iones son átomos o moléculas que llevan una carga eléctrica. Un catión (un ion positivo) se forma cuando un átomo neutro pierde uno o más electrones de su capa de valencia, y un anión (un ion negativo) se forma cuando un átomo neutro gana uno o más electrones en su capa de valencia. Los compuestos conformados por iones se llaman compuestos iónicos (o sales), y sus iones constituyentes se mantienen juntos por enlaces iónicos: Fuerzas electrostáticas de atracción entre cationes y aniones con cargas opuestas. 

Propiedades de los compuestos iónicos

Las propiedades de los compuestos iónicos arrojan algo de luz sobre la naturaleza de los enlaces iónicos.

• Los sólidos iónicos presentan una estructura cristalina y tienden a ser rígidos y quebradizos; también tienden a tener altos puntos de fusión y ebullición, lo que sugiere que los enlaces iónicos son muy fuertes. 
• Los sólidos iónicos también son malos conductores de la electricidad por la misma razón: La fuerza de los enlaces iónicos impide que los iones se muevan libremente en estado sólido. 
• Sin embargo, la mayoría de los sólidos iónicos se disuelven fácilmente en agua. Una vez disueltos o fundidos, los compuestos iónicos son excelentes conductores de la electricidad y el calor, ya que los iones pueden moverse libremente.

Formación de los compuestos iónicos

Muchos elementos metálicos tienen potenciales de ionización relativamente bajos y pierden electrones fácilmente. Estos elementos se encuentran a la izquierda en un período o cerca de la parte inferior de un grupo en la tabla periódica. Los átomos no metálicos tienen afinidades electrónicas relativamente altas y, por lo tanto, ganan fácilmente electrones perdidos por los átomos metálicos, llenando así sus capas de valencia. Los elementos no metálicos se encuentran en la esquina superior derecha de la tabla periódica.

Como todas las sustancias deben ser eléctricamente neutras, el número total de cargas positivas en los cationes de un compuesto iónico debe ser igual al número total de cargas negativas en sus aniones. La fórmula de un compuesto iónico representa la relación más simple del número de iones necesario para dar números idénticos de cargas positivas y negativas. 

Los compuestos iónicos forman estructuras de 3 dimensiones dispuestas regularmente

Es importante notar, sin embargo, que la fórmula para un compuesto iónico no representa la disposición física de sus iones. Es incorrecto referirse a la “molécula” de cloruro de sodio (NaCl) porque no hay un único enlace iónico, per se, entre cualquier par específico de iones de sodio y cloruro. Las fuerzas de atracción entre los iones son isotrópicas — iguales en todas las direcciones — lo que significa que cualquier ión en particular es igualmente atraído a todos los iones cercanos de carga opuesta. Esto resulta en que los iones se acomodan en una estructura de entramado tridimensional estrechamente unida. El cloruro de sodio, por ejemplo, consiste en una disposición regular de números iguales de cationes Na⁺ y aniones Cl^–. La fuerte atracción electrostática entre los iones Na⁺ y Cl^– los mantiene unidos firmemente en NaCl sólido. Se requieren 769 kJ de energía para disociar un mol de NaCl sólido en iones gaseosos Na⁺ y Cl^– separados. 

Estructuras electrónicas de los cationes

Al formar un catión, un átomo del elemento del grupo principal tiende a perder todos sus electrones de valencia, asumiendo así la estructura electrónica del gas noble que lo precede en la tabla periódica. 

• Para los grupos 1 (los metales alcalinos) y 2 (los metales alcalinotérreos), el número de grupo es igual al número de electrones de la capa de valencia y, en consecuencia, a las cargas de los cationes formados a partir de átomos de estos elementos cuando todos los electrones de la capa de valencia son removidos. 
• Por ejemplo, el calcio es un elemento del grupo 2 cuyos átomos neutros tienen 20 electrones y una configuración electrónica en estado fundamental de 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s². Cuando un átomo de Ca pierde ambos electrones de valencia, el resultado es un catión con 18 electrones, una carga de 2+ y una configuración electrónica de 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶. El ion Ca²⁺ es, por lo tanto, isoelectrónico con el gas noble Ar.
• Para los grupos 13–17, los números de grupo exceden el número de electrones de valencia por 10 (teniendo en cuenta la posibilidad de subcapas d llenas en átomos de elementos en el cuarto período y mayores). Así, la carga de un catión formado por la pérdida de todos los electrones de valencia es igual al número de grupo menos 10. Por ejemplo, el aluminio (en el grupo 13) forma iones 3+ (Al³⁺).

Excepciones

• Las excepciones al comportamiento esperado implican elementos hacia la parte inferior de los grupos. 
• Además de los iones esperados Tl³⁺, Sn⁴⁺, Pb⁴⁺ y Bi⁵⁺, una pérdida parcial de los electrones de la capa de valencia de estos átomos también puede conducir a la formación de iones Tl⁺, Sn²⁺, Pb²⁺ y Bi³⁺. La formación de estos cationes 1+, 2+ y 3+ se atribuye al efecto de par inerte, que refleja la energía relativamente baja del par de electrones de valencia s para los átomos de los elementos pesados de los grupos 13, 14 y 15. 
• El mercurio (grupo 12) también muestra un comportamiento inesperado: Forma un ion diatómico, Hg₂²⁺ (un ion formado a partir de dos átomos de mercurio, con un enlace Hg-Hg), además del ion monatómico esperado Hg²⁺ (formado a partir de un solo átomo de mercurio).
• Los elementos metálicos de transición y transición interna se comportan de forma diferente que los elementos del grupo principal. La mayoría de los cationes de metales de transición tienen cargas 3+ o 2+ que resultan de la pérdida de su electrón s más externo(s) primero, seguido a veces por la pérdida de uno o dos electrones d de la capa inmediatamente adyacente.
• Aunque los d orbitales de los elementos de transición son, según el principio de aufbau — los últimos que se llenan al formar las configuraciones electrónicas — los electrones más externos son los primeros que se pierden cuando estos átomos se ionizan. Cuando los metales de transición interna forman iones, suelen tener una carga de 3+, que resulta de la pérdida de sus electrones más externos y de un electrón d o f.

Estructuras electrónicas de los aniones

La mayoría de los aniones monatómicos se forman cuando un átomo neutro no metálico gana suficientes electrones para llenar completamente sus orbitales externos s y p, alcanzando así la configuración electrónica del siguiente gas noble. Por lo tanto, es simple determinar la carga en tal ión negativo: La carga es igual al número de electrones que deben ser ganados para llenar los orbitales s y p del átomo padre. El oxígeno, por ejemplo, tiene la configuración electrónica 1s²2s²2p⁴, mientras que el anión de oxígeno tiene la configuración electrónica del gas noble neón (Ne), 1s²2s²2p⁶. Los dos electrones adicionales necesarios para llenar los orbitales de valencia le dan al ion óxido la carga de 2– (O^2–).

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 7.3: Enlace Iónico.