Cátedra de Introducción n a la Química Cs Naturales ESTADO LÍQUIDOL QUIDO-PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS De qué dependen las propiedades físicas f de las sustancias? Bibliografía: a: Química la Ciencia Central - T.Brown, H.Lemay,, B. Bursten y C. Murphy. Quimica General - R. Petruci, W.S. Harwood y F.Herring. Principios de Química mica - P. Atkins y L. Jones. "Quimica"" R. Chang. Por qué algunas sustancias son gases, otras líquidas y otras sólidas s a T ambiente? Concepto de Fuerzas intermoleculares Son fuerzas atractivas entre moléculas. Son más débiles que los enlaces químicos (iónicos, covalentes, metálicos) (fuerzas intramoleculares). F. Intermolecular (débil) Determinan las propiedades físicas de las sustancias. Por ejemplo: a) Para romper todos los enlaces O-H en 1 mol de moléculas de agua se requieren 930 kj. H 2 O (líquido) H 2(gas) + ½ O 2(gas) se vencen fuerzas intramoleculares Fuerza Intramolecular (fuerte) Enlace covalente Determinan las propiedades químicas de las sustancias b) Para vaporizar un mol de agua se requieren 41 kj H 2 O (líquido) H 2 O (vapor) Se vencen fuerzas intermoleculares Se produce un cambio de fase Liq Vapor ( cambio físico) Las propiedades físicas f de las sustancias varían an con su estado de agregación. Fuerzas Intermoleculares vs Propiedades FísicasF GAS E c > F a LÍQUIDO F a E c SÓLIDO F a > E c Estados_de_la_materia.zip Cuanto más m s intensas sean las fuerzas de atracción n que operan entre las partículas: Estado de agregación (estado físico) balance entre E c y F atractivas entre las partículas (F. intermoleculares). Qué factor predomina si se aumenta la T? Ec Qué factor predomina si se aumenta la P? F. atractivas Mayor energía para vencerlas y producir un cambio de fase. Mayor es el punto de ebullición del líquido. Mayor el punto de fusión del sólido. Menor es la velocidad de vaporización de la sustancia (menos volátil)... 1
TIPOS DE FUERZAS IÓN-I DIPOLO PERMANENTE Fuerzas ion-dipolo ion - dipolo permanente Catión µ 0 ion - dipolo inducido Fuerzas de Van der Waals: fuerzas atractivas entre moléculas neutras Anión µ 0 Fuerzas dipolo-dipolo Fuerzas dipolo-dipolo inducido Fuerzas de dispersión de London (F. dipolo instantáneo- dipolo inducido) Puentes de Hidrógeno La fuerza de atracción es mayor cuando: Menor la distancia entre ambos. Mayor es la carga del ion (Q + o Q - ), Mayor es el µ de la molécula neutra FUERZAS IÓN-I DIPOLO PERMANENTE Disolución de NaCl en agua FUERZAS IÓN-I DIPOLO INDUCIDO Un ión puede inducir un dipolo en una molécula no polar Ion Molécula no polar Ion inducido + + - - µ = 0 µ 0 Fuerzas ión-dipoloi Importantes en disoluciones de sólidos iónicos i en líquidos l polares Distribución simétrica de carga F. ión-dipolo inducido Más débil que la anterior Son fuerzas de atracción n entre moléculas neutras polares FUERZAS DIPOLO-DIPOLO FUERZAS DIPOLO-DIPOLO Dependen de la magnitud del momento dipolar µ. Cuanto mayor es su intensidad mayor energía para vencerlas Extremo positivo de un dipolo es atraído por el extremo negativo del otro. Atracción Repulsión Ejemplo: Sustancia PM(uma) µ(d) Peb (K) SO 2 µ 0 CH 2 44,10 0,1 231 O 46,07 1,3 248 CN 41,05 3,9 355 Atracción neta de dipolos permanentes 2
FUERZAS DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO Los dipolos pueden inducir dipolos en molec. no polares FUERZAS DE DISPERSIÓN N DE LONDON Fuerzas de atracción entre un dipolo instantáneo y un dipolo inducido. µ 0 µ = 0 dipolo permanente dipolo inducido Son más m s débiles d que las fuerzas dipolo-dipolo µ = 0 Distribución de carga simétrica en molécula no polar instantáneo: distribución temporal no uniforme de los e- induce un dipolo en una molécula vecina. instántaneo ntaneo inducido FUERZAS DE DISPERSIÓN N DE LONDON FUERZAS DE DISPERSIÓN N DE LONDON Atracción electrostática inducido instantáneo neo Operan en todas las moléculas (polares o no polares) At He (2) At He (1) At He (2) At He (1) Único tipo de fuerzas que opera en moléculas no polares. Dependen de la polarizabilidad de las especies. Interacción entre dos moléculas de CH 4 Polarizabilidad de un átomo o molécula: mide la facilidad con que la densidad electrónica puede distorsionarse por efecto de un campo eléctrico. inducido instantáneo Depende Del Nº de electrones ( PM, tamaño) De la forma de la molécula Polarizabilidad y Fuerzas de London La polarizabilidad aumenta con el Nº de electrones y estos con la masa molar. A mayor PM > Polarizabilidad > F.London Como influye la forma de las moléculas? Neopentano: Polarizabilidad y Fuerzas de London C 5 H 12 Peb: 9,5ºC F 2 F 2 Interacción débil PM = 38 uma µ = 0; Peb = -189ºC Menor contacto, menor interacción, F. London más débiles n-pentano: Peb: 36,5ºC I 2 I 2 PM = 254 uma µ = 0; Peb= 184ºC Interacción fuerte C 5 H 12 Mayor contacto, mayor interacción, F. London más intensas 3
Consideraciones a tener en cuenta, ejemplos: A) Moléculas que difieren bastante en su PM: -Explique la tendencia en los Peb de: i) HCl (188K), HBr(206K), HI (237K) µ 1 H Cl µ 2 H Br H µ 3 I µ 1 > µ 2 > µ 3 N e - : HI > HBr> HCl Consideraciones a tener en cuenta, ejemplos: B) Moléculas con forma y PM semejante F. de London similares Especie N 2 µ PM 0 28 CO 0 28 PE(K) 77 PE(CO) > PE(N 2 ) 81 F. -dipolo: HCl > HBr> HI F. London: HI > HBr> HCl Tendencia opuesta, entonces???? Especie O CN µ 1,3 3,9 PM 46 41 PE(K) 248 355 PE( CN) > PE( O ) Pebullición: HI > HBr> HCl Fuerzas de London decisivas. ii) HCl (188K) y Cl 2 (239K) Fuerzas dipolo-dipolo decisivas. PUENTES DE HIDRÓGENO (enlace de hidrógeno) PUENTES DE HIDRÓGENO Punto de ebullición (ºC) Interacción atractiva entre un átomo de H que forma un enlace covalente polar con un átomo X muy electronegativo y un par de electrones no compartidos de un átomo Z electronegativo y pequeño. N, O, F δ(-) δ(+) X H :Z- N, O, F H 2 O, HF, NH 3 presentan Peb altos. Período Tendencia contraria a la que se espera por sus PM. Lleva a postular el concepto de enlace o puentes de hidrógeno. Son más fuertes que las fuerzas de dispersión de London y que las fuerzas dipolo-dipolo. Son más débiles que un enlace químico FUERZAS POR PUENTES DE HIDRÓGENO (enlace de H) Puentes hidrógeno - Estructura del ADN: la doble héliceh Ejemplos: HF sólido HF en fase gaseosa Los puentes hidrógeno A-T T y C-G C G entre las bases púricas y pirimídicas son el eje de la doble hélice h del modelo de Watson y Crick para el ADN (1953). Adenina (A) Timina (T) Citosina (C) Guanina (G) 4
Puentes de hidrógeno geno- Replicación n del ADN EL ENLACE DE HIDRÓGENO EN El AGUA Replicación del ADN H 2 O Puente hidrógeno entre 2 moléculas de agua δ(+) 2δ(-) δ(+) Ordenamiento tetraédrico Enlace de H 0,177 nm Enlace covalente 0,0965 nm Puentes de hidrógeno responsables de las propiedades extraordinarias del agua Explican: Por qué el agua es líquida a T ambiente. Por qué su Peb es 100 C a P= 1 atm. Por qué la δh 2 O(s) < δh 2 O(l) Entorno alrededor de una molécula de agua En el sólido En el líquido Punto de ebullición (ºC) Período δh 2 O(s) < δh 2 O(l) Estructura abierta del agua sólida (hielo). δ Máxima H 2 O(l) = 4 C Agua δh 2 O(s) < δh 2 O(l) Hielo flota Densidad (g/ml) Forma hexagonal característica de los copos de nieve Consecuencia: Una dada masa de H 2 O(s) ocupa mayor volumen que la misma masa de H 2 O(l). Hielo Temperatura ( C) Permite la vida acuática en climas fríos. 5
Ejercicios: 1. Identifique el tipo de F. Intermoleculares presentes en las siguientes sustancias: H 2 S; SF 6 ; NH 3 ; Ar; HF; HCl 2. a) Cuál de los siguientes átomos es más polarizable: O, S, Se. b) Ordene en orden creciente de polarizabilidad: SiCl 4; CH 4, SiH 4 Y ALGUNAS PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOSL VISCOSIDAD (η):( Resistencia de un líquido a fluir. En igual tiempo Forma de medirla 3. Explique la diferencia en los Peb de las siguientes sustancias: a) F ( -142 C); CCl 4 (-23 C); b) F 2 ( 85K); HCl (188K). 4. a) Cuál de los siguientes moléculas puede formar puentes de hidrógeno con otras moléculas del mismo compuesto: i) OH; ii) PH 3, iii) NH 2, iv) O, v) H 3 PO 4: Más viscoso Menos viscoso Ejemplo: comparar agua, alcohol etílico, miel y aceites pesados para motores. F. intermoleculares más intensas Mayor Viscosidad Tensión n Superficial Los líquidos tienden a mantener un área superficial mínima. Cuando T aumenta aumenta la Ec de las partículas Menor Viscosidad Tienden a formar gotas. Las características estructurales influyen en su valor. En una familia de compuestos aumenta al aumentar el PM Sustancia Hexano Heptano Octano Nonano Decano Se resisten a aumentar su superficie Las fuerzas de atracción en el interior son diferentes a las de la superficie. La energía que se requiere para aumentar la superficie de un líquido en una unidad de área se denomina tensión superficial. Unidades: J/m 2. Tensión n Superficial La superficie del líquido se comporta como una membrana o barrera. Fuerzas de cohesión Fuerzas de adhesión Tensión n Superficial Fuerzas intermoleculares entre moléculas semejantes. (Ej: agua-agua) Fuerzas intermoleculares entre moléculas diferentes. (Ejemplo agua-vidrio) Opone una gran resistencia a ser traspasada y origina una película superficial que permite: Superficie Limpia Superficie encerada El líquido moja la superficie El líquido conserva su forma esférica F.adhesión> F.cohesión F.cohesión > F.adhesión 6
F.adhesión> F.cohesión El liquido moja el vidrio. Menisco cóncavo El Hg no moja el vidrio Menisco convexo F.cohesión > F.adhesión F.cohesión > F.adhesión No asciende Capilaridad: fuerzas de adhesión El proceso se detiene cuando la presión que ejerce la columna de agua, se equilibra con la presión capilar. Fenómeno responsable, en parte, de la ascensión de la savia desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos. La altura de la columna depende del diámetro del tubo. 7