Fuerzas Intermoleculares 1. Defina los siguientes términos: Fase Fuerzas intermoleculares Fuerzas intramoleculares Densidad Compresibilidad Vibración molecular Propiedad Macroscópica Dipolo Polaridad Momento dipolar (con ecuación y unidad) Fuerza dipolo-dipolo Fuerza dipolo-dipolo inducido Fuerzas de dispersión Fuerzas de Van Der Waals Fuerza ion-dipolo Enlace o interacción puente de hidrógeno. Hidratación Aislante eléctrico Polarizabilidad 2. Explique la relación existente entre las fuerzas de dispersión y la masa molar. 3. Esquematice el cambio de estado de: Sólido a líquido Líquido a gas 4. Usando esferas como moléculas. Represente las fuerzas intermoleculares existentes en moléculas polares y apolares.
5. Según la siguiente tabla: Explique la variación en el momento dipolar. Molécula Momento dipolar (D) HF 1,92 HCl 1,08 HBr 0,78 6. Explique el comportamiento del punto de fusión en estos compuestos no polares. Compuesto Punto de fusión ( C) CH 4-182 CF 4-150 CCl 4-23 CBr 4 90 Cl 4 171 7. Compare la energía necesaria para separar 2 moléculas de agua unidas por puente de hidrógeno y la energía necesaria para romper un enlace H-O en el agua. 8. Explique la tendencia y las excepciones que se muestra en este gráfico para los puntos de ebullición de los compuestos de hidrógeno de los elementos de los grupos 4A, 5A, 6A y 7A
Ejercicios de aplicación: 1. Ordene de mayor a menor la magnitud de los siguientes tipos de interacciones entre dos átomos: Enlace covalente, Fuerzas de Van der Waals, Puente de hidrógeno. 2. De una explicación razonable para los siguientes hechos: a) El cloruro de sodio tiene un punto de fusión de 800 C, en cambio, el cloro es un gas a temperatura ambiente. b) El diamante no conduce la corriente eléctrica mientras que el níquel si lo hace. c) El flúor es una molécula covalente mientras que el fluoruro de cesio es iónico. 3. Indicar que fuerzas atractivas deben ser vencidas para que se verifiquen los siguientes procesos: a) Disolución de cloruro de sodio en agua. b) Fusión de cristal de hielo. c) Ebullición de hidrógeno líquido. d) Hervir el bromo molecular e) Fundir Yodo sólido f) Disociar el F 2 en átomos de F. 4. Cuál de las siguientes sustancias presenta un punto de ebullición más alto? a) F 2 b) Br 2 c) Cl 2 d) I 2 5) Ordene las siguientes sustancias por orden creciente de sus puntos de ebullición. SiCl 4 - SiI 4 - SiBr 4 - SiF 4 6) De los siguientes compuestos, determine cuales presentan puentes de hidrógeno. a) Di-metil-éter b) Etanol c) Agua d) Amoníaco e) Metil-amina.
f) Acetona 7. Qué tipo de fuerzas intermoleculares existen entre los siguientes pares de especies: a) HBr y H 2 S b) Cl 2 y CBr c) I 2 y NO d) NH 3 y C 6 H 6 8. Cuál de los siguientes compuestos orgánicos de similar masa molar, presenta un punto de ebullición más alto? a) Di-etil-éter CH 3 -CH 2 -O-CH 2 -CH 3 b) n-butanol CH 3 -CH 2 - CH 2 -CH 2 -OH c) Pentano CH 3 -CH 2 - CH 2 -CH 2 -CH 3 d) 1-cloro-prpano CH 3 -CH 2 - CH 2 -Cl 9. Indique en orden decreciente según los puntos de ebullición para las siguientes sustancias: a) Fenol C 6 H 5 -OH b) Tolueno C 6 H 5 -CH 3 c) Benceno C 6 H 6 d) p-hidroxitolueno HO-C 6 H 4 -OH 10. Ordene los siguientes compuestos según solubilidad en agua decreciente, explique su razonamiento. a) 1 bromopropano CH 3 -CH 2 -CH 2 -Br b) Etil-metil-eter CH 3 -CH 2 -O-Br c) 1-propanol CH 3 -CH 2 -CH 2 OH d) Propano CH 3 -CH 2 -CH 3
Respuestas: Programa de Acceso Inclusivo, Equidad y Permanencia 1. Fase: es una parte homogénea de un sistema y aunque está en contacto con otras partes del sistema, está separada de esas partes por el límite bien definido. Fuerzas intermoleculares: son fuerzas de atracción entre moléculas. No covalentes Fuerzas intramoleculares: son fuerzas que mantienen unidos los átomos dentro de una molécula. Pueden ser covalentes o no covalentes. Densidad: Es una propiedad intensiva, es decir no depende de la cantidad de sustancia. Se calcula dividiendo la masa por el volumen. En gases generalmente la densidad se expresa en unidades de g/l, en cambio en los líquidos y sólidos se expresa en g/ml. Compresibilidad: La compresibilidad se produce cuando se aumenta la presión en el sistema y como consecuencia disminuye el volumen. Los gases son muy comprimibles, el gas licuado es un ejemplo. Vibración molecular: Las moléculas y los átomos que la forman no son rígidas, estas están en constante movimiento. Las vibraciones pueden ser de dos tipos: tensión y de flexión. Ejemplo: Propiedad Macroscópica: Las propiedades macroscópicas de una sustancia son aquellas que pueden ser determinadas directamente. Ejemplo: longitudes, temperaturas, masas, densidad, etc. Dipolo: se forman en un sistema de dos cargas opuestas y de igual magnitud cercanas entre sí.
Polaridad y momento dipolar: Momento dipolar: el momento dipolar (µ) de una sustancia se calcula mediante: µ = Q r (donde Q, es la carga y r es la distancia entre las cargas) Los momentos dipolares generalmente se expresan en (D) debye, cuya equivalencia es: 1D = 3,33 10-30 C m. La polaridad de una sustancia se relaciona con el momento dipolar µ, el cual es una magnitud vectorial. Para determinar si una molécula poliatómica es polar, es necesario determinar la magnitud de los momentos dipolares correspondientes. En el caso del agua, es un solvente polar, porque tiene un momento dipolar distinto de cero. El momento dipolar de los 2 enlaces O-H, no se anulan debido al ángulo de la molécula. Ver figura. En resumen una molécula será polar cuando: 1. Se requiere que haya por lo menos un enlace polar o un par de electrones no compartidos en el átomo central. 2. Cuando haya más de un enlace polar, o más de un par de electrones son compartidos, deben estar orientados de modo que los momento dipolares no sean anulados Fuerza dipolo-dipolo: Interacción entre dipolos permanentes.
Fuerza dipolo-dipolo inducido: Resulta de la interacción de una partícula polar con otra no polar. El dipolo permanente induce la formación de un dipolo temporal en la molécula apolar. Fuerzas de dispersión de London: fuerzas de atracción que se generan por los dipolos temporales inducidos en los átomos y moléculas. Las fuerzas de dispersión aumentan con la masa molar. Como las moléculas con mayor masa molar tienen a tener más electrones, las fuerzas de dispersión aumentan con el número de electrones. Además una mayor masa molar a menudo indica un átomo más grande cuya distribución electrónica se altera con más facilidad porque los electrones externos están unidos con menos fuerza por el núcleo. Fuerzas de Van Der Waals: Se utiliza como sinónimo de fuerzas de London y fuerzas entre dipolos. Fuerza ion dipolo: Se producen entre un ion y la carga parcial del extremo de una molécula polar. Las moléculas polares son dipolos (extremo positivo y negativo). Las fuerzas ion dipolo son muy importantes para las disoluciones de sustancias iónicas en líquidos polares, como una disolución de NaCl en agua. Enlace o interacción puente de hidrógeno: son un tipo especial de atracción intermolecular (dipolo-dipolo) entre el átomo de hidrógeno de un enlace polar (particularmente un enlace de H- F, H-O, H-F) y un par de electrones no enlazantes de un ion o átomo pequeño electronegativo cercano (generalmente un átomo de F, O ó N de otra molécula).
Hidratación: Proceso en el cual un ion o una molécula se rodea de agua distribuidas en una forma específica. Aislante eléctrico: sustancia incapaz de conducir la corriente eléctrica. Polarizabilidad: Es la facilidad para distorsionar la distribución electrónica de un átomo o molécula. En general conforme crezca el número de electrones y más difusa la nube electrónica del átomo o molécula mayor será su polarizabilidad. 2. Las fuerzas de dispersión aumentan con la masa molar. Como las moléculas con mayor masa molar tienen a tener más electrones, las fuerzas de dispersión aumentan con el número de electrones. Además una mayor masa molar a menudo indica un átomo más grande cuya distribución electrónica se altera con más facilidad porque los electrones externos están unidos con menos fuerza por el núcleo. 3. 4. La figura muestra los cambios de estado del agua, al igual que los nombres de cada etapa.
La figura muestra la interacción entre una molécula apolar y otra molécula polar. La segunda parte muestra la interacción entre dos moléculas polares. 5. La variación del momento dipolar se explica porque la diferencia de electronegatividad de los átomos, es decir el átomo de flúor al ser el más electronegativo atrae la nube electrónica hacia él, produciendo un momento dipolar más fuerte. 6. Si calculas la masa molar de las sustancias cuya fórmula molecular es similar, te darás cuenta que a mayor masa molar se obtiene un punto de fusión más alto. 7. Acá hay una lista de energía involucradas para romper una interacción puentes de hidrógeno. Recuerda que este tipo de interacción se forma entre moléculas de la sustancia, para el caso del agua: F H... F (155 kj/mol) ; O H... N (29 kj/mol); O H... O (21 kj/mol); N H... N (13 kj/mol) N H... O (8 kj/mol) En cambio para romper el enlace O-H en el agua, se necesitan 424,8 kj/mol. 8. Los compuestos de hidrógeno de los elementos de los grupos 5 A, 6 A, 7A. En cada una de estas series, el compuesto más ligero (NH 3, H 2 O, HF) tiene el punto de ebullición más alto, al contrario de lo que se esperaría considerando la masa molar. La razón es que hay enlaces ó interacciones puentes de hidrógeno en las tres dimensiones entre las moléculas de estos compuestos. La fuerza de la interacción puente de hidrógeno está determinada por la interacción coulómbica entre el par libre de electrones del átomo electronegativo y el núcleo de hidrógeno.
Resultados ejercicios de aplicación: 1. Enlace covalente puentes de hidrógeno-fuerzas de Van der Waals. 2. a) Los compuestos iónicos forman redes cristalinas y son duros, por lo tanto sus puntos de fusión deben ser altos. Este es el caso del cloruro de sodio, está unido mediante fuerzas electrostáticas, en cambio la molécula de cloro, es un compuesto molecular. Cuya característica es presentar bajos puntos de fusión y de ebullición, además de ser gaseosos o líquidos a temperatura ambiente. b) El diamante es un sólido formado por redes covalentes de átomos de carbono enlazados tetraédricamente (hibridación del carbono sp 3 ). En donde todos los átomos de carbono están ocupados formando enlaces. Por otra parte el níquel presenta enlaces metálicos, por lo que dentro de sus propiedades físicas son buenos conductores del calor y de la electricidad. Los átomos que constituyen los metales tienen pocos electrones de valencia, pero con la libertad para moverse por toda la red de iones positivos. c) La molécula de flúor presenta enlace covalente apolar, debido a que la diferencia de electronegatividad es igual a cero. Mientras que el fluoruro de cesio es un compuesto iónico, ya que ambos elementos se encuentran en los extremos de la tabla periódica, por lo cual la diferencia de electronegatividad es mayor a 1,7. Explicación análoga a letra a). 3. a) Se debe vencer fuerzas electrostáticas, ya que el compuesto NaCl está formado por un enlace iónico. También se deben vencer las fuerzas entre las moléculas de agua (Puente de H) b) Puentes de hidrógeno. c) Fuerzas de London. d) Fuerzas de London. e) Fuerzas de London. f) Fuerza de enlace, debido a que es un enlace covalente simple. 4. El punto de ebullición de una sustancia esta relacionado con la masa molar, es decir a mayor masa molar mayor punto de ebullición, por lo tanto la sustancia que presenta un mayor punto de ebullición es I 2, aunque es una molécula apolar hay fuerzas de London (dipolo inducido, esto es sobre moléculas vecinas y dipolo instantáneo) a mayor masa, mayor fuerza de dispersión, debido a la polarizabilidad de la molécula.
5. SiF 4 - SiCl 4 -SiBr 4 - SiI 4. El razonamiento es igual al ejercicio anterior. 6. Primero debes investigar las fórmulas de las sustancias. CH 3 -O-CH 3 ; no hay puentes de hidrógeno. CH 3 -CH 2 -OH; si hay puentes de hidrógeno H 2 O; si hay puentes de hidrógeno. NH 3 ; si hay puentes de hidrógeno. CH 2 NH 2 ; si hay puentes de hidrógeno. CH 3 -CO-CH 3 ; no hay puentes de hidrógeno. Recuerda que los puentes de hidrógeno se presentan entre moléculas covalentes polares que contienen hidrógeno unido a algún otro elemento pequeño altamente electronegativo como F, O y N. Debido a lo anterior es que las aminas primarias y secundarias pueden formar puentes de hidrógeno. 7. a) Ambas moléculas son polares, por lo tanto hay una interacción dipolo inducido. b) La molécula de cloro es apolar. Entre ellos hay una interacción dipolo-dipolo inducido. c) La molécula I 2 es apolar. Entre ellos hay una interacción dipolo-dipolo inducido. d) NH 3 es una molécula polar y la molécula de benceno es apolar, por lo tanto la interacción es dipolo-inducido. 8. El único compuesto de toda la lista que puede formar puentes de hidrógeno es el n- butanol. 9. El orden es el siguiente: d-a-b-c P-hidroxitolueno debería presentar el punto de ebullición más alto ya que esta sustancia puede formar 2 puentes de hidrógeno. Fenol solo puede formar uno. El tolueno tiene mayor masa molar que el benceno por lo que también tendrá un mayor punto de ebullición. 10. El compuesto más soluble en agua es el 1 propanol, debido a su polaridad entregada por el grupo OH. Luego el etil-metil-éter gracias al átomo de O que le entrega algo de polaridad, posteriormente tenemos el 1 bromo-propano y finalmente el propano.
Responsables académicos Programa de Acceso Inclusivo, Equidad y Permanencia Comité Editorial PAIEP y colaboración Dra. Ana María Campos. Referencias y fuentes utilizadas Chang, R.; College, W. (2002).. (7a. ed). México: Mc Graw-Hill Interamericana Editores S.A.