1.4 CONFIGURACION ELECTRONICA y ENLACEVALENCIAS ESTANDARHay correlaciones importantes entre la capacidad de enlace y la configuracin electrnica atmica. Cuando utilizamos el trmino de configuracin electrnica atmica (el nmero de electrones asociado a un tomo o un ion y los orbitales atmicos con los cuales cada electrn esta asociado), nos estamos refiriendo a una descripcin del nmero de electrones en un tomo o un ion, y a un conteo de los orbitales atmicos (los espacios alrededor del ncleo de un tomo en el cual los electrones puedan existir teniendo una relacin particular de la energa con ese ncleo-no ms de dos electrones pueden ocupar cualquier orbital, y cuando lo hacen los electrones que ocupen el orbital, tendrn sus spines en direcciones opuestas). Para deducir la configuracin electrnica de un tomo, primero necesitamos saber cuntos electrones estn presentes, y despus determinar qu orbitales ocupan los electrones. Las reglas siguientes se utilizan en asignar las configuraciones electrnicas: El principio del aufbau los orbitales se completan en orden creciente de energa. Es decir, los orbitales de una energa ms baja se llenan antes que los orbitales de una energa ms alta. El orden de las energas de los orbitales atmicos aumenta como sigue: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p Principio de exclusin de Pauli un mximo de dos electrones puede ocupar un solo orbital. Si dos electrones ocupan un solo orbital, sus spines deben ser contrarios. La regla de Hund al colocar electrones en un sistema de orbitales de igual energa (por ejemplo, los tres orbitales 2p), agregamos un electrn a cada orbital (todos con el mismo spin) hasta que cada orbital del sistema contenga un electrn, antes de aparear los electrones en cualquier otro orbital.

Usando estos principios podemos deducir la configuracin electrnica de cualquier tomo. Por ejemplo, considere un tomo de oxgeno. De la tabla peridica encontramos que el nmero atmico del oxgeno es 8. As, un tomo de oxgeno tiene ocho protones en su ncleo y ocho electrones fuera de su ncleo. Para asignar estos ocho electrones a los orbitales, seguimos los principios conocidos arriba. Hacindolo as pues, deducimos la configuracin electrnica segn lo representado en el cuadro 1.3. Estamos generalmente interesados solamente en los electrones de la capa externa, pues son estos electrones los que participan en el enlace. Los electrones de la capa externa tambin se conocen como los electrones de la capa de valencia, que para el oxgeno incluyen los niveles 2s y 2p.

Una manera ms importante en la cual la configuracin electrnica se relaciona con el enlace se incorpora en la regla del gas noble. Esta regla indica que los tomos que forman enlaces donan, reciben, o comparten los electrones para alcanzar la configuracin electrnica de un gas noble. Considere otra vez un tomo de oxgeno. Un tomo de oxgeno necesita dos electrones ms para alcanzar la configuracin del gas noble nen. Una forma para que esto suceda consiste en la transferencia completa de dos electrones al tomo de oxgeno desde uno o ms tomos. Cuando dos electrones se transfieren totalmente a l, el tomo de oxgeno se convierte en un anin del xido, O -2. Por ejemplo, un tomo de magnesio transferir dos electrones al oxgeno. Haciendo as pues que, el tomo del magnesio y el tomo de oxgeno alcancen la configuracin de un gas noble. El resultado es un compuesto inico que consiste en iones Mg+2 y iones O-2. En compuestos orgnicos el enlace covalente es ms comn que el enlace inico. En el enlace covalente los electrones no se transfieren totalmente a partir de un tomo a otro, sino se comparten entre los tomos. Los electrones compartidos se considera que pertenecen a ambos socios en el enlace, y podemos contarlos como contribuyendo a las configuraciones electrnicas de ambos tomos en el enlace. As, en nuestro ejemplo trivial de H-H, los dos electrones en el enlace covalente se consideran que proveen a ambos tomos con la configuracin del gas noble (helio).

Hay excepciones a la regla del gas noble. Generalmente, sin embargo, encontramos que los compuestos que contienen los tomos que carecen del arreglo de electrones del gas noble son particularmente reactivos. Por ejemplo, muchas especies transitorias formadas en reacciones orgnicas tienen menos electrones de los requeridos para una configuracin electrnica del gas noble. Estas especies que se forman en el curso de una reaccin, existen solamente por un breve perodo de tiempo, y reaccionan adicionalmente para formar los productos observados. Tendremos mucho que decir sobre tales intermediarios de la reaccin a su debido tiempo, pues una comprensin de sus estructuras y sus caractersticas son cruciales para una comprensin completa de las reacciones orgnicas. Tambin encontramos que incluso los compuestos estables del boro, del aluminio, y de varios otros elementos tienen configuraciones electrnicas incompletas del gas noble. Esta caracterstica es importante para su qumica. Un nmero de reacciones altamente tiles para los compuestos de estos elementos se pueden correlacionar con la carencia de una configuracin completa del gas noble, lo cual encontraremos en nuestras discusiones posteriores. Una configuracin del gas noble se llama a menudo un octeto, porque todos los gases nobles excepto el helio tienen ocho electrones en su capa exterior. Algunos tomos pueden acomodar ms de un octeto de electrones en su capa de valencia. El azufre y el fsforo son dos ejemplos importantes para la qumica orgnica. Sin embargo, los elementos en la segunda fila de la tabla peridica (es decir, Li a F) jams pueden tener ms de un octeto de electrones en ese nivel. Aunque un tomo de hidrgeno puede formar apenas un enlace covalente con otro tomo en un compuesto estable, otros tomos, por ejemplo, oxgeno se pueden enlazar covalentemente simultneamente a ms de un tomo. Observando un gran nmero de molculas, podemos hacer algunas generalizaciones. Encontramos que los tomos de la mayora de los elementos forman siempre el mismo nmero de enlaces covalentes en compuestos estables. Utilizamos el trmino valencia para describir el nmero de los enlaces formados por un tomo de un elemento dado. Las valencias generalmente que encontramos para los tomos comnmente presentes en molculas orgnicas se demuestran en la tabla 1.1. Estas valencias estndares definen el nmero de los enlaces covalentes generalmente formados por los tomos en compuestos orgnicos estables neutros. Por ejemplo, el oxgeno forma dos enlaces covalentes en el compuesto estable agua, H-O-H. Cada enlace covalente en una molcula de agua consiste en (entre el tomo de oxgeno y un tomo del hidrgeno) un par compartido del electrones, uno de los electrones es provedos por el tomo de oxgeno central y el otro por el tomo asociado del hidrgeno. Algunos ejemplos simples se muestran en la tabla 1.2 para ilustrar estas valencias para los elementos comunes en

algunos compuestos orgnicos covalentemente enlazados. Una lnea () entre los smbolos elementales indica un solo enlace covalente (un par de electrones compartidos), una lnea doble (=) representa un enlace doble (cuatro electrones compartidos) y una triple (seis electrones compartidos). Las representaciones estructurales como sas mostradas en la tabla 1.2 se conocen como estructuras de Lewis. Mire uno de los tomos de oxgeno en la molcula del bixido de carbono en la tabla 1.2. Note que lo demostramos que estn implicados un enlace doble al tomo de carbn central y tambin dos pares de electrones no compartidos, llamados a veces pares solitarios, representados como pares de puntos arriba y debajo del smbolo de O para el oxgeno. Cmo sabemos que debemos colocar dos pares del electrones no compartidos en cada uno de los tomos de oxgeno del bixido de carbono, apenas uno en el tomo del nitrgeno de metilamina, tres sobre el tomo de bromo de bromometano, y ninguno sobre cualquiera de los tomos de carbono mostrados en la Tabla 1.2.?

Las respuestas a estas preguntas dependen otra vez del uso de la regla del gas noble. Asumimos que los tomos de oxgeno del dixido de carbono cada uno alcanzan una configuracin electrnica del gas noble enlazando al carbno. As, la configuracin electrnica sobre cada tomo de oxgeno debe ser como la del nen. Es decir, un nivel de ocho electrones de la valencia con cada tomo de oxgeno constituye sus configuraciones electrnicas de la capa de valencia. Vemos que cada tomo de oxgeno del dixido de carbono est implicado en un enlace doble. Los cuatro electrones en cada enlace doble pueden contar hacia la configuracin del gas noble de cada uno de los tomos del socio en el enlace. As, cada tomo de oxgeno tiene cuatro electrones de valencia de esta fuente. Cuatro para cada tomo de oxgeno son ms necesarios satisfacer sus configuraciones del gas noble y se demuestran stos como los dos pares de electrones no compartidos. Similarmente, el tomo de carbono central del bixido de carbono se muestra sin los pares de los electrones no compartidos (ningn par de puntos cerca del smbolo de C), puesto que est formando dos enlaces dobles, y los ocho electrones de estos dos enlaces dobles constituyen el octeto necesario. Aunque la mayora de los tomos en casi todos los compuestos orgnicos neutros obedecen a la regla del gas noble, concluiremos esta seccin con una palabra de la precaucin. Hay algunas excepciones a la regla del gas noble (vase la discusin anterior) que se debe tener presente cuando se dibuja una estructura de Lewis. A veces faltan electrones para dar a cada tomo una configuracin del gas noble. En compuestos orgnicos neutros, esta deficiencia del electrn se encuentra lo ms a menudo posible en los compuestos que contienen el boro o el aluminio. El boro y el aluminio forman tres enlaces en los compuestos neutros (que cuentan seis electrones), pero no tienen ningn par no compartido para tomar una configuracin del gas noble. Los ejemplos ms comunes de los tomos que tienen ms electrones de los que se requieren para alcanzar una configuracin del gas noble pueden ocurrir en algunos compuestos del azufre y del fsforo. Tendremos ms que decir sobre esas excepciones luego. Para los iones estables encontramos valencias que son diferentes de sas en molculas neutras. Algunos ejemplos de los iones que contienen el nitrgeno o el oxgeno

se muestran en el cuadro 1.4.

Ocasionalmente encontramos que aun moleculas estables pueden contener atomos con valencias inusuales . Por ejemplo, el carbono y el oxigeno ambos forman tres enlaces unos con otros en el monoxido de carbono (1.1). Tambien, en la molecula neutra nitrometano (1.2) (un solvente organico y combustible para autos de carrera), escribimos una estructura con cuatro enlaces al nitrogeno y unicamente uno a uno de los dos atomos de oxigeno. Como en las estructuras de la figura 1.4, colocamos una carga positiva sobre el atomo de nitrogeno con cuatro enlaces, y una carga negativa sobre el oxigeno con un solo enlace.

Cargas FormalesLas cargadas indicadas en las estructuras 1.1. y 1.2 y aquellas en la figura 1.4 se conocen como cargas formales.Como tu sabrias si un estructura tiene cargas formales? Como ya lo notamos, una guia seria un numero inusual de enlaces a un atomo dado. Hay, sin embargo, un metodo simple que nos permite calcular cargas formales de una forma inmediata. Primero, podemos definir la carga formal en terminos de la diferencia del numero de electrones que son propiedad de un atomo cuando esta libre y el numero que el posee cuando es

parte de una molecula o de un ion. Al decidir la propiedad de los electrones en una molecula o ion, contamos cualquier nivel de electrones no compartidos como pertenecientes solo al atomo padre, y distribuimos uniformemente cualquier electron en enlaces entre los dos atomos que forman los enlaces.Para calcular la carga formal en un atomo dado en una estructura Lewis, sustraemos al numero de electrones de valencia en el atomo libre el numero de sus electrones no compartidos y el numero de los enlaces que forma. Asi, la carga formal en atomos para moleculas y iones se puede calcular utilizando la ecuacion 1.1 Este calculo es ilustrado en la Figura 1.5 para la molecula de monoxido de carbono. Carga formal=(numero de electrones de valencia para el atomo cuando esta aislado, es decir, no es parte de una molcula.) (numero de enlaces que comparte en el compuesto) (numero de electrones no compartidos que tiene en el compuesto) (Eq. 1.1)

Mtodo sistemtico para dibujar estructuras de LewisPara la mayora de las molculas es posible arribar a una estructura de Lewis correcta usando las valencias estndares dadas arriba. Sin embargo, hay una necesidad obvia de un mtodo sistemtico para construir las estructuras de Lewis que trabaja independientemente de si o no los tomos forman su nmero usual de enlaces. Aqu delinearemos un procedimiento del cinco pasos y despus lo ilustramos resolviendo la estructura de Lewis del monxido de carbono.Atomo de Carbono Numero de electrones de valencia en un tomo de carbono aislado Numero de enlaces al tomo de Carbono Numero de electrones no compartidos Carga formal sobre el C -1 Atomo de Oxigeno Nmero de electrones de valencia en un tomo de oxigeno aislado Numero de enlaces al tomo de Oxigeno

4

6 3

3 2

Numero de electrones no compartidos2 Carga formal sobre el O +1

Figura 1.5 Calculo de Cargas formales en la molcula de monxido de carbono. La molcula tiene una carga formal de -1 en el tomo de carbono y +1 en el tomo de oxigeno. Procedimiento para asignar cargas formales 1. Calcule el nmero total de los electrones de valencia en la molcula agregando la contribucin de cada tomo. El nmero de los electrones de valencia para cada tomo es dado por el nmero del grupo del elemento en el tabla peridica de hecho, usted debe memorizar el nmero de los

electrones de valencia para todos los elementos encontrados comnmente en los compuestos orgnicos, es decir, H, B, C, N, O, P, S, y los halgenos. 2. Para los iones, agregue un electrn al total para cada carga negativa; reste uno para cada carga positiva. 3. Cada par de tomos se debe conectar por lo menos con un solo enlace, que requiere un par de electrones. Por consiguiente, primero construya una estructura parcial que muestre solos enlaces entre todos los pares conectados. 4. Determine el nmero total de los electrones por los cuales los tomos en la estructura parcial tienen la configuracin del gas noble. La diferencia entre este total y el nmero real de los electrones restantes que se colocar (del paso 3) da el nmero de los electrones que se deben colocar en (es decir, adicional a sos colocados ya en la estructura parcial) enlaces covalentes adicionales. La colocacin de enlaces adicionales por supuesto dar lugar a enlaces (dobles o triples) mltiples en la estructura. 5. Dibuje una estructura con el nmero apropiado de enlaces mltiples segn lo calculado en el paso 4 arriba, y si es posible, distribuya los electrones restantes como pares no compartidos para dar a todos los tomos una configuracin del gas noble. (A veces no hay bastantes electrones para dar a todos los tomos una configuracin del gas noble, por ejemplo, en compuestos orgnicos del boro.)