Química General e Inorgánica A Energías de Interacción Tema 7 Fuerzas intermoleculares Fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas Fuerzas intramoleculares mantienen juntos a los átomos en una molécula intermolecular vs. intramolecular 41 kj para evaporar 1 mol de agua (inter) 930 kj para romper todos los enlaces O-H en 1 mol de agua (intra) Medida de fuerza intermolecular Por lo general, las fuerzas punto de ebullición intermoleculares punto de fusión son mucho más ΔH vap débiles que las fuerzas ΔH fus intramoleculares. ΔH sub 7.1 1
Energías de Interacción Las propiedades macroscópicas de la materia dependen de las interacciones que se producen a nivel molecular entre las partículas que la constituyen Se entiende por partículas a iones, átomos o moléculas Ecuación General = Modelo de interacción E. I. = - A r m + B r n A y B: son constantes que dependen del tipo de partículas involucradas m y n: dependen del tipo de interacción r es la distancia entre las partículas 7.2 Clasificación de las Interacciones E Interacciones iónicas: Interacción ión-ión Interacción ión-dipolo Interacción ión-dipolo inducido Interacciones de Van der Waals: Interacción puente hidrógeno Interacción dipolo-dipolo Interacción dipolo-dipolo inducido Interacción dipolo inducido-dipolo inducido Cuando aumentan las energías de interacción aumentan las propiedades macroscópicas (densidad, viscosidad, puntos de fusión y ebullición, etc.), excepto la presión de vapor que disminuye 7.3 2
Interacciones Iónicas Interacción ión-ión En esta interacción las partículas participantes son iones Energía reticular (E r ) es la energía que se libera cuando se forma un mol de un compuesto iónico cristalino q 1 es la carga en el catión q 2 es la carga en el anión r es la distancia entre los iones E r = - N n+ n - q 1 q 2 M r M es la constante de Madelung La energía reticular aumenta - cuando q aumenta - cuando r disminuye Comp. MgF 2 MgO LiF LiCl Energía reticular 2957 q = +2,-1 3938 q = +2,-2 1036 r F < r Cl 853 7.4 Densidad de carga δ carga = - carga ión V ión Los compuestos iónicos son una combinación de cationes y aniones red cristalina de NaCl 7.5 3
Tipos de cristales Cristales iónicos Se mantienen juntos por la atracción electrostática altos punto de fusión CsCl ZnS CaF 2 7.6 Tipos de cristales Cristales moleculares Se mantienen unidos por fuerzas intermoleculares de Van der Waals, por lo tanto son mucho más débiles bajos punto de fusión Cuarzo cristalino (SiO 2 ), dipolo-dipolo Otros ejemplos: CH 4 (dipolo inducido-dipolo inducido) H 2 O (puente hidrógeno) SO 2 (dipolo-dipolo) 7.7 4
Interacción ión-dipolo Es la interacción entre un ión y una molécula polar El dipolo se va a orientar en función de la carga del ión Interacción ion-dipolo 7.8 El fenómeno por el cual interaccionan los iones de un cristal con las moléculas polares de un disolvente se denomina solvatación Cuando el disolvente es agua se denomina hidratación E hid. - μ q r 2 La energía de hidratación aumenta - cuando q aumenta - cuando μ aumenta - cuando r disminuye 7.9 5
Hidratación es el proceso en el que un ión se rodea de moléculas de agua ordenadas de manera específica. La hidratación depende de la carga del ión y de su volumen (densidad de carga) δ δ + H 2 O 7.10 El proceso de disolución para el NaCl Iones Na + y Cl - en estado gaseoso Calor de hidratación Paso 2 Paso 1 Energía reticular Calor de disolución Iones Na + y Cl - en estado sólido ΔH disolución = Paso 1 + Paso 2 = 788 784 = 4 kj/mol Iones Na + y Cl - hidratados 7.11 6
Interacción ión-dipolo inducido Es la interacción entre un ión y una molécula no polar o un átomo neutro Fuerzas de inducción Son fuerzas de atracción que se producen porque la nube electrónica del átomo o molécula no polar se distorsiona generando dipolos inducidos Catión Dipolo inducido Interacción ion-dipolo inducido Dipolo Dipolo inducido Interacción dipolo-dipolo inducido 7.12 Fuerzas de inducción Polarizabilidad (α) es la facilidad con que la nube electrónica de un átomo o molécula puede distorsionarse La polarizabilidad aumenta cuando: mayor es el número de electrones más difusa es la nube electrónica Las fuerzas de inducción normalmente aumentan con la masa molar 7.13 7
E. I. - q α r 4 La energía de interacción ión-dipolo inducido aumenta - cuando q aumenta - cuando α aumenta - cuando r disminuye Ejemplo: I 2 no se disuelve en agua I 2 (s) + I - (ac) I - 3 (ac) solución pardo oscura ión- dipolo inducido 7.14 Interacciones de Van der Waals Este tipo de interacciones se producen entre átomos neutros o moléculas polares o no polares. No participan iones E Interacción puente hidrógeno ----------------------------------------------------- Interacción dipolo-dipolo Interacción dipolo-dipolo inducido Interacción dipolo inducido-dipolo inducido E. I. = - A r m + B Interacciones 6-12 r n m = 6 y n = 12 7.15 8
Interacción dipolo-dipolo Corresponde a la fuerzas de atracción entre moléculas polares Fuerzas de orientación: orientación de moléculas polares 7.16 E. I. - μ r 6 Energía de interacción dipolo-dipolo aumenta - cuando μ aumenta - cuando r disminuye - cuando T disminuye E. I. = - 2 μ 4 3 K B T r 6 + B r 12 Interacción dipolo-dipolo Todas las fuerzas de interacción son afectadas por la temperatura El efecto es más notable en la interacción dipolo-dipolo, porque al aumentar la temperatura, aumenta la agitación molecular dificultando la orientación de los dipolos, y por lo tanto disminuye la energía de interacción 7.17 9
Interacción dipolo-dipolo inducido Esta interacción se establece entre una molécula polar y un átomo neutro o molécula no polar Fuerzas de inducción: la molécula polar genera dipolos inducidos en la molécula no polar E. I. - μα r 6 La energía de interacción dipolo-dipolo inducido aumenta - cuando μ aumenta - cuando α aumenta - cuando r disminuye Ejemplo: esta interacción permite que los gases no polares como N 2, O 2 e H 2 se disuelvan en líquidos polares como el agua 7.18 Interacción dipolo inducido-dipolo inducido Esta interacción se establece entre dos átomos neutros o dos moléculas no polares Fuerzas de dispersión de London: la nube electrónica de un átomo neutro es móvil y al cambiar de posición genera dipolos inducidos en el otro átomo neutro o molécula no polar α E. I. - r 6 La energía de interacción dipolo inducido-dipolo inducido aumenta: - cuando α aumenta - cuando r disminuye Ejemplo: esta interacción es la que permite la licuación de sustancias no polares como los gases nobles y los hidrocarburos. 7.19 10
Qué tipo de fuerzas intermoleculares existe entre cada una de las moléculas siguientes? HBr CH 4 SO 2 es una molécula polar. Interacción dipolo-dipolo También contribuyen las fuerzas de dispersión (dipolo inducidodipolo inducido) pero en menor proporción es no polar. Interacción dipolo inducido-dipolo inducido (fuerzas de dispersión) O S O es una molécula polar Interacción dipolo-dipolo. Hay también menor contribución de las fuerzas de dispersión Las interacciones de orientación, de inducción y de dispersión no se manifiestan en forma individual, sino que aparecen en conjunto 7.20 Puente de hidrógeno (enlace de hidrógeno) El enlace de hidrógeno es una interacción especial dipolo-dipolo. El átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo muy electronegativo (O, N, ó F) interacciona por atracción electrostática formando un puente hidrógeno del tipo O H, N H o F H A H B o A H A A y B son N, O, ó F 7.21 11
hidrógeno protónico δ + H δ - O H O-H H δ - O H puentes de hidrógeno INTERMOLECULARES O-H Cl O-H puente de hidrógeno INTRAMOLECULAR Cl para-clorofenol Punto de fusión = 41 C Cl orto-clorofenol Punto de fusión = 0 C Energía de interacción puente hidrógeno aumenta: - cuando aumenta la asociación molecular - cuando aumenta la basicidad del átomo aceptor (O, N, F) 7.22 Estructura de las proteínas Carbono Nitrógeno Oxígeno Grupo R Hidrógeno La estructura proteica se mantiene por los enlaces de hidrógeno intramoleculares ( ) 7.23 12
Por qué el enlace de hidrógeno se considera una interacción especial dipolo-dipolo? Grupo 6A Masa molar decreciente Punto de ebullición decreciente Punto de ebullición Grupo 7A Grupo 5A Grupo 4A Período 7.24 Estructura tridimensional del hielo El agua es una sustancia única Máxima densidad 4 0 C Densidad del agua El hielo es menos denso que el agua Densidad (g/ml) Temperatura 7.25 13
Estrategia de trabajo 1) Identificar si las especies que interaccionan son iones. Las interacciones iónicas son las más fuertes. 2) Identificar si las especies que interaccionan tienen un hidrógeno protónico. Los enlaces de hidrógeno son las interacciones más fuertes dentro de las de Van der Waals. 3) Determinar si la especie que interacciona es polar o no polar. Cuando la molécula es polar la interacción es del tipo dipolo. Si la molécula es no polar, la interacción es del tipo dipolo inducido. Recordar: - cuando aumenta la energía de interacción aumentan las propiedades macroscópicas (menos la presión de vapor) - cuando aumenta la temperatura, disminuyen las interacciones y por lo tanto disminuyen las propiedades macroscópicas 7.26 14