La ley deCoulomb explica las interacciones entre las partículas cargadas negativa y positivamente, de modo que las cargas similares se repelen y las cargas opuestas se atraen. En química, suele aplicarse a la carga electrostática de los enlaces iónicos.
Este resumen explorará la Ley de Coulomb y sus aplicaciones a los enlaces iónicos.
- Veremos más concretamente la definición de fuerza de Coulomb y ejemplos.
- A continuación, investigaremos las distintas variables de la ecuación de la fuerza de Coulomb.
- Después, examinaremos la magnitud de la fuerza de Coulomb en el contexto de la fuerza de interacción de los enlaces iónicos.
- Veremos las aplicaciones de la fuerza de Coulomb para los enlaces iónicos.
- Por último, abordaremos brevemente la fuerza de repulsión de Coulomb.
Definición y ejemplos de la fuerza de Coulomb
Volviendo a nuestro ejemplo del globo, ¿qué hizo que el globo se pegara a la pared? Fue una fuerza electrostática, también conocida como Fuerza de Coulomb.
Las Fuerzas de Coulomb son las fuerzas de atracción o repulsión entre iones debidas a su carga.
Fig. 1: Iones atrayéndose y repulsándose según la ley de Coulomb.
Recuerda, ¡la atracción entre las partículas cargadas negativamente del globo y la pared cargada positivamente hizo que se "pegara"! Pero, en realidad, ¡las fuerzas repulsivas también estaban en juego aquí! La pared era inicialmente neutra, pero cuando se acerca el globo cargado negativamente, repele los electrones cargados negativamente de la zona. De este modo, la pared queda más cargada positivamente que el globo y, por tanto, ¡se pega! A partir de este ejemplo, podemos ver los principios fundamentales de la fuerza de Coulomb: ¡Los opuestos se atraen y los semejantes se repelen!
Imita el viejo mito amoroso de que los polos opuestos se atraen, ¡y resulta que este concepto es cierto en las relaciones cuando se aplica a la relación entre partículas cargadas! ¡Esperemos que esto te resulte fácil de recordar!
En realidad, la Ley de Coulomb fue publicada por un físico y está ampliamente reconocida como un avance crucial para el estudio del electromagnetismo y los campos eléctricos. Sin embargo, como pronto veremos, ¡los conceptos de la Ley de Coulomb se aplican fácilmente a nuestra comprensión de los enlaces iónicos!
Ahora, pensemos un segundo en cómo y por qué este concepto físico nos importa a los químicos. ¿Qué mantiene unidas las partículas subatómicas de un átomo? ¿Cómo se forman los enlaces químicos iónicos? Son preguntas diferentes con la misma respuesta: ¡la atracción electrostática entre partículas con carga opuesta!
- Los átomos están formados por protones cargados positivamente y orbitados por electrones cargados negativamente.
- Los enlaces iónicos están formados por cationes cargados positivamente e iones cargados negativamente. Estas cargas opuestas se atraen entre sí.
Dedicaremos la mayor parte de nuestro tiempo a explorar lo que la Ley de Coulomb nos dice sobre la energía implicada en los enlaces iónicos. Para ello, ¡primero debemos conocer matemáticamente la Ley de Coulomb y lo que significa!
Ecuación de la fuerza de Coulomb
La ecuación comúnmente asociada a la fuerza de Coulomb es \ [ F={k}\frac{q_1 q_2}{r^{2}}] , pero como nos interesa la energía asociada a los enlaces iónicos, podemos utilizar la siguiente ecuación
\[ E={k}\frac{q_1 q_2}{r} \]
Llegamos de la ecuación inicial de la fuerza a la energía tomando la integral. No tienes por qué saber aplicar matemáticamente esta ecuación. Tienes que ser capaz de utilizarla conceptualmente para hacer comparaciones y defender respuestas sobre enlaces iónicos y sólidos.
Descompongamos las distintas variables.
E = energía necesaria para separar los iones (fuerza de atracción y repulsión)
Q1y Q2 = la carga del catión y del anión
r = se refiere a la distancia entre los núcleos de los dos iones (longitud de enlace)
k = constante de Coulomb y no es relevante para la química
Esta ecuación es la expresión matemática que respalda la Ley de Coulomb. Ahora que conocemos algunos aspectos fundamentales de la fuerza de Coulomb, podemos redefinir la Ley de Coulomb según esta ecuación. En primer lugar, ¿qué nos dice esta ecuación sobre los enlaces iónicos y las partículas cargadas en general?
- Muestra una relación proporcional entre la magnitud de las cargas y la fuerza del enlace iónico.
- Muestra una relación inversamente proporcional entre la distancia entre los iones y la fuerza del enlace iónico
La ley de Coulomb explica que dos iones con carga opuesta se atraerán con una fuerza proporcional a la magnitud de sus cargas e inversamente proporcional a la distancia entre ellos.
La magnitud de la fuerza de Coulomb
Entonces, ¿qué estamos calculando cuando averiguamos la magnitud de una fuerza o, en este caso, la magnitud de la energía en un enlace iónico? Estamos analizando la fuerza de las interacciones entre cationes y aniones.
Basándonos en lo que ya hemos tratado, esto significa que la fuerza del enlace iónico depende de dos factores
1. carga de los iones: a medida que aumentan las cargas, los iones se atraen con más fuerza entre sí, lo que aumenta la fuerza iónica
2. el tamaño de los iones: al aumentar el tamaño, aumenta la distancia internuclear entre los iones, lo que disminuye la fuerza iónica
Para poner a prueba tus conocimientos, ¡intentemos aplicarlos a la comparación de la fuerza de dos enlaces iónicos!
¿Qué enlace iónico es más fuerte, el del NaCl o el del KCl? ¿Por qué?
- Primero, fijémonos en las cargas de cada ion: Na = +1, Cl = -1 y K = +1, Cl = -1
- Como las cargas son las mismas, debe ser la distancia entre los iones lo que afecta a la fuerza.
- Observemos los radios iónicos del Na frente al K: el K está más abajo en el período, por lo que sabemos que es mayor, y el Na es menor.
- Según la Ley de Coulomb, la fuerza de los enlaces iónicos aumenta a medida que disminuye el tamaño de los iones. Así que el NaCl tiene una energía de red más fuerte y es un enlace iónico más fuerte.
Si quieres repasar las Tendencias Periódicas, consulta Tendencias Periódicas para tener más seguridad a la hora de determinar las cargas y los radios de los distintos iones.
También podemos utilizar la ley de Coulomb para estimar la energía de red de los compuestos iónicos.
La energía de red es la energía necesaria para romper un compuesto iónico y separar los iones de carga opuesta. Se llama energía de red porque los compuestos iónicos existen en una estructura de red cristalina, y es la energía necesaria para separar estas redes de iones en iones separados.
Consulta Estructura de los sólidos iónicos para obtener más información sobre las redes cristalinas y cómo se relaciona la energía de red con las distintas propiedades de los sólidos iónicos.
¡Sigamos viendo distintas aplicaciones de la Ley de Coulomb en química!
Aplicaciones de la fuerza de Coulomb
Ya sabemos que una de las aplicaciones más importantes de las fuerzas de Coulomb es la fuerza de interacción de los enlaces iónicos y la energía de red, pero las fuerzas de Coulomb están en todas partes, ¡así que hay un par de aplicaciones más que merece la pena mencionar!
1. Energía reticular y solubilidad
- La energía de red influye directamente en la solubilidad de un sólido iónico. Cuanto más fuerte es el enlace iónico, menos soluble es. Según la Ley de Coulomb, si se necesita más energía para separar los iones, éstos tienen una carga elevada y están muy juntos. Si es más difícil que los iones se separen, ¿no tiene sentido que sea menos probable que los iones se unan a las moléculas de agua?
- Las Fuerzas de Coulomb también se aplican a la energía de ionización de los iones.
La energía deionización se refiere a la energía necesaria para desplazar un electrón de un átomo, convirtiéndolo así en un ion.
Los mismos principios de distancia y carga se aplican a los elementos, excepto entre los electrones cargados negativamente y un núcleo cargado positivamente. Cuanto mayor sea la distancia entre el núcleo y los electrones de valencia, y cuanto más débil sea la carga del núcleo, menos energía se necesitará para extraer el electrón.
Fuerza de Coulomb de la Replusión
Volviendo a la Ley de Coulomb, incluye las fuerzas atractivas entre cargas opuestas y las fuerzas repulsivas entre cargas semejantes. Podría decirse que las fuerzas atractivas entre partículas con cargas opuestas son muy importantes y prevalecen en toda la química. Por eso nos hemos centrado en ellas la mayor parte del tiempo. Sin embargo, las fuerzas repulsivas existen en situaciones como la expulsión electrón-electrón e incluso dentro del núcleo entre protones cargados positivamente.
No profundizaremos demasiado en la mecánica de un núcleo, pero una vez que comprendas la ley de Coulomb, puedes volver tu mente hacia el átomo. ¿Qué partículas subatómicas hay en un núcleo? Protones con carga positiva y neutrones neutros. ¿Cómo es esto posible si las cargas semejantes se repelen a las cargas semejantes... el átomo no debería poder mantenerse unido? Es otra fuerza la que mantiene unidos a protones y neutrones, llamada fuerza nuclear. Los protones experimentan repulsión eléctrica, pero la fuerza nuclear los supera. ¡La ciencia nunca deja de sorprendernos!
Ahora deberías estar familiarizado con la ley de Coulomb y cómo podemos utilizarla para comprender los enlaces iónicos y su fuerza. Para ver más ejemplos de cómo aplicar el concepto de fuerza de Coulomb a los enlaces iónicos, ¡trabaja con las fichas!
Fuerza de Coulomb - Puntos clave
- Laley de Coulomb explica la atracción electrostática entre los iones con carga negativa y los iones con carga positiva en un enlace iónico.
- La energía reticular se refiere a la energía necesaria para separar los iones de su estructura reticular. Mide la fuerza de los enlaces iónicos.
- A medida que aumentan las cargas de los iones y disminuyen sus radios, aumenta la energía de red.
- Cuando compares la fuerza de un enlace iónico, la solubilidad o la energía de ionización, compara las cargas y los radios iónicos de los iones.
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