Las propiedades de la materia en química están determinadas por la naturaleza de las fuerzas de enlace interatómico. Antes de continuar leyendo, no explicaré la relación exacta de las características de la materia y las configuraciones electrónicas, incluido el principio de exclusión de Pauli. Solo daré razones generales (porque no conozco los detalles exactos y son complejos). Quizás lo siguiente ayude.
Probablemente hayas visto la imagen a continuación: es un elemento básico en las clases de introducción a la química.
Las fuerzas de Coulomb son atractivas entre electrones y núcleos, repulsivas entre electrones y entre núcleos (protones). Las fuerzas interatómicas se derivan del hecho de que a) los electrones (con carga negativa) están ubicados fuera del núcleo, b) el núcleo (con carga positiva) está en el centro, yc) la configuración específica de los electrones en varios estados de energía. Las configuraciones electrónicas (estados cuánticos) se rigen por las leyes cuánticas, en particular la ecuación de onda de Schroedinger. Para incluir el espín de partículas (junto con el principio de exclusión de Pauli) se requiere que el Hamiltoniano no relativista (operador de energía) de la ecuación de Schroedinger sea suplantado por un hamiltoniano relativista (ecuaciones de Dirac).
El principio de exclusión de Pauli desempeña un papel central en la configuración electrónica y, por lo tanto, en las propiedades espaciales de la materia.
Cuando dos átomos se acercan mucho, la fuerza entre ellos es repulsiva, porque los núcleos se repelen entre sí (cargas positivas). Las fuerzas son atractivas a grandes distancias r entre los núcleos (a menos que ambos estén cargados negativamente – iones).
La energía de interacción es la energía potencial entre los átomos. Es negativo si los átomos unidos. El valor total de la energía de interacción se llama energía de enlace. Cuanto más fuerte es la energía de enlace, más difícil es mover los átomos, por ejemplo, para fundir la materia sólida, o para evaporar un fluido a gas.
Estos detalles de la curva de energía de enlace para un material dado son la fuente de sus propiedades macro, como la temperatura de fusión, la elasticidad, la expansión térmica y la conductividad, etc.
La cadena de causalidad en resumen es: 1) La energía de enlace es responsable de las propiedades físicas de la materia, 2) la configuración electrónica (estados cuánticos) es responsable de la energía de enlace, 3) las soluciones de las ecuaciones de Dirac proporcionan mecánicamente los estados de el electrón – los números cuánticos, (n, l, m, ms – la configuración electrónica), 4) El principio de exclusión de Pauli exige que no haya dos electrones que puedan compartir los mismos números cuánticos.
La translucidez, los reflejos de luz y todas las características electromagnéticas no se rigen por las fuerzas de unión sino por los principios de las interacciones electrón-fotón (Quantum Electro Dynamics o QED). Que yo sepa, el principio de exclusión de Pauli no juega un papel (aunque no estoy 100 por ciento seguro). Los fotones son partículas de spin 1 (Bosones) y, por lo tanto, pueden colocarse espacialmente (el Principio de Exclusión no se aplica a las partículas de Spin 1), dando lugar a fenómenos como los láseres.
Diferenciamos entre vinculación primaria y secundaria. A continuación, una descripción general de los diversos mecanismos de unión que dan lugar a las propiedades de la materia.
Bonos Interatómicos Primarios
Enlace iónico
Hay una fuerte fuerza de Coulomb cuando uno de los átomos es negativo (tiene un electrón extra) y otro es positivo (ha perdido un electrón). Un ejemplo es NaCl. En la molécula, hay más electrones alrededor de Cl, formando Cl- y menos alrededor de Na, formando Na +. Los enlaces iónicos son los enlaces más fuertes. En los sólidos, la unión iónica generalmente se mejora con la unión covalente.
Unión covalente
En el enlace covalente, los electrones se comparten entre las moléculas, para saturar la valencia en la capa externa, por ejemplo, en la molécula H2.
Unión metálica
En los metales, los átomos se ionizan, perdiendo algunos electrones de la banda de valencia. Esos electrones forman un mar de electrones , que une los núcleos cargados en su lugar.
Enlace secundario (enlace de Van der Waals)
Bonos dipolo inducidos fluctuantes
Un átomo es un dipolo con carga positiva en el centro y carga negativa alrededor de la producción de un campo eléctrico que sienten los electrones de los átomos adyacentes. Los átomos así se polarizan. Este enlace se llama enlace de van der Waals.
Enlaces dipolares inducidos por moléculas moleculares
Una molécula polar como H2O (Hs es parcialmente +, O es parcialmente -), inducirá un dipolo en un átomo cercano, lo que conducirá a la unión.
Enlaces dipolares permanentes
Este es el caso del enlace de hidrógeno en el hielo. El extremo H de la molécula está cargado positivamente y puede unirse al lado negativo de otra molécula dipolar, como el lado O del dipolo H2O.
Moléculas
Si las moléculas formaron una cubierta cerrada debido a la unión covalente (como H2, N2), entonces la interacción entre las moléculas es débil, del tipo de van der Waals. Por lo tanto, los sólidos moleculares generalmente tienen puntos de fusión muy bajos.
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