Volver a la portadaIntroducción a la Química · 4° año · Cambiar asignatura
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Secundaria 4° · Introducción a la Química
Química y combustibles: el petróleo y sus fracciones · El petróleo como recurso y la relación estructura-propiedades

Fuerzas intermoleculares y puntos de ebullición de hidrocarburos

En una estación de servicio, la garrafa de gas (propano y butano) está llena de líquido a presión, pero apenas abrís la válvula sale gas. En cambio, la nafta del surtidor sigue líquida a temperatura ambiente. Las dos son mezclas de hidrocarburos. ¿Por qué unas sustancias hierven a temperaturas tan distintas? La respuesta está en cuánto se atraen las moléculas entre sí.

Enlaces polares y no polares

Un enlace covalente es un par de electrones compartido por dos átomos. Pero no siempre se comparte en partes iguales: depende de la electronegatividad, que mide qué tan fuerte atrae un átomo los electrones del enlace.

  • Si los dos átomos tienen la misma electronegatividad (o casi), el par se reparte parejo: enlace no polar. Ejemplos: $\ce{Cl-Cl}$, $\ce{C-C}$ y, con muy buena aproximación, $\ce{C-H}$.

  • Si un átomo atrae más fuerte, el par se desplaza hacia él: ese átomo queda con una carga parcial negativa ($\delta^-$) y el otro con una parcial positiva ($\delta^+$). Es un enlace polar. Ejemplos: $\ce{O-H}$, $\ce{C-Cl}$, $\ce{C=O}$.

Enlace no polar en Cl2, con electrones compartidos por igual, y enlace polar en HCl, con cargas parciales Cl–Cl no polar: reparto parejo H Cl δ+ δ− polar: Cl atrae más

Esto es así porque los núcleos de átomos distintos atraen los electrones con distinta fuerza. El flúor, el oxígeno, el nitrógeno y el cloro son muy electronegativos; el carbono y el hidrógeno, parecidos entre sí.

Practica★☆☆Sin empezar
Explicá qué significa que un enlace covalente sea polar y qué propiedad de los átomos que lo forman determina esa polaridad. Dá un ejemplo de un enlace polar y uno no…

Explicá qué significa que un enlace covalente sea polar y qué propiedad de los átomos que lo forman determina esa polaridad. Dá un ejemplo de un enlace polar y uno no polar.

Resolver

Polaridad de la molécula y geometría

Que una molécula tenga enlaces polares no alcanza para que sea polar. Hay que mirar la geometría: cada enlace polar es como una flecha que apunta hacia el átomo más electronegativo. Si las flechas se cancelan, la molécula es no polar; si no se cancelan, queda un dipolo permanente.

CO2 lineal con flechas que se cancelan y agua angular con flechas que se suman OCO CO₂: lineal, se cancelan → no polar Molécula de agua angular con dos enlaces polares y un dipolo resultante hacia el oxígeno O H H H₂O: angular, se suman → polar

Casos que conviene tener presentes:

Molécula Geometría Enlaces Molécula
$\ce{CO2}$ lineal polares no polar
$\ce{H2O}$ angular polares polar
$\ce{CH4}$ tetraédrica casi no polares no polar
$\ce{CCl4}$ tetraédrica polares no polar (simetría)
$\ce{CHCl3}$ tetraédrica, no simétrica polares polar
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Se tienen cuatro sustancias: agua, $CO_2$, tetracloruro de carbono, $CCl_4$, y cloroformo, $CHCl_3$. Para cada una, analizá la polaridad de sus enlaces, la geometría…

Se tienen cuatro sustancias: agua, $CO_2$, tetracloruro de carbono, $CCl_4$, y cloroformo, $CHCl_3$. Para cada una, analizá la polaridad de sus enlaces, la geometría molecular y si la molécula en conjunto es polar o no polar. Luego predecí cuáles serían miscibles con el hexano y cuáles no, justificando con las fuerzas intermoleculares involucradas.

Resolver

Tipos de fuerzas intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares son las atracciones entre moléculas (no confundir con los enlaces covalentes dentro de cada molécula). Para pasar de líquido a gas hay que vencerlas; los enlaces de la molécula no se rompen al hervir.

En general, de menor a mayor intensidad:

$$\text{dipolo temporario} < \text{dipolo permanente} < \text{puente de hidrógeno}$$
Fuerza Dónde aparece Ejemplo
Dipolo temporario moléculas no polares (y en todas) $\ce{CH4}$, $\ce{C4H10}$, $\ce{CO2}$
Dipolo permanente moléculas polares sin $\ce{O-H}$/$\ce{N-H}$/$\ce{F-H}$ $\ce{CHCl3}$, propanona
Puente de hidrógeno moléculas con $\ce{O-H}$, $\ce{N-H}$, $\ce{F-H}$ $\ce{H2O}$, etanol
Dos moléculas de agua unidas por un puente de hidrógeno representado con línea punteada O H H O H H puente de hidrógeno (línea punteada)
Practica★☆☆Sin empezar
Indicá qué tipo de fuerza intermolecular predomina entre las moléculas de metano, $CH_4$, en estado líquido, y explicá brevemente por qué se origina. Aclará si esas…

Indicá qué tipo de fuerza intermolecular predomina entre las moléculas de metano, $CH_4$, en estado líquido, y explicá brevemente por qué se origina. Aclará si esas moléculas son polares o no polares.

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Practica★☆☆Sin empezar
Ordená las siguientes fuerzas intermoleculares de menor a mayor intensidad, en general: puente de hidrógeno, dipolo temporario (fuerzas de dispersión de London) y dipolo…

Ordená las siguientes fuerzas intermoleculares de menor a mayor intensidad, en general: puente de hidrógeno, dipolo temporario (fuerzas de dispersión de London) y dipolo permanente (dipolo-dipolo). Mencioná un ejemplo de sustancia para cada tipo.

Resolver

Masa molar, superficie de contacto y punto de ebullición

Los hidrocarburos son no polares: entre sus moléculas solo hay dipolos temporarios. Entonces, ¿por qué sus puntos de ebullición son tan distintos?

Hidrocarburo Fórmula Masa molar (g/mol) Punto de ebullición
Metano $\ce{CH4}$ 16 $-162\,°C$
Etano $\ce{C2H6}$ 30 $-89\,°C$
Propano $\ce{C3H8}$ 44 $-42\,°C$
Butano $\ce{C4H10}$ 58 $-1\,°C$

Al crecer la cadena hay más electrones y la nube electrónica se deforma más fácil: los dipolos temporarios son más intensos. Además, una cadena larga tiene más superficie para contactar con las vecinas. Más contacto e intensidad significa más atracción total y más energía para separarlas.

Por eso el propano y el butano (garrafa) hierven bien por debajo o cerca de la temperatura ambiente y salen como gas, mientras que los hidrocarburos de más de cinco carbonos de la nafta son líquidos. Esta es también la base de la destilación fraccionada del petróleo.

Practica★★☆Sin empezar
Los puntos de ebullición del metano, el etano, el propano y el butano son aproximadamente $-162\,°C$, $-89\,°C$, $-42\,°C$ y $-1\,°C$. Explicá por qué el punto de…

Los puntos de ebullición del metano, el etano, el propano y el butano son aproximadamente $-162\,°C$, $-89\,°C$, $-42\,°C$ y $-1\,°C$. Explicá por qué el punto de ebullición aumenta al crecer la cadena, utilizando los conceptos de masa molar, superficie de contacto y dipolos temporarios.

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Forma de la molécula: isómeros

Con la misma fórmula, la forma cambia el punto de ebullición.

Pentano de cadena lineal y neopentano compacto, con sus puntos de ebullición pentano: alargado 36 °C neopentano: compacto 10 °C

El pentano es alargado: las moléculas se apoyan unas contra otras en toda su extensión. El 2,2-dimetilpropano (neopentano) es casi esférico: se tocan en pocos puntos. Menor superficie de contacto significa dipolos temporarios menos eficaces y menor punto de ebullición, aunque la masa molar sea idéntica.

El 2-metilbutano tiene una ramificación: forma intermedia. Esperamos entonces un punto de ebullición entre los dos (en la realidad, unos $28\,°C$).

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El pentano, $CH_3CH_2CH_2CH_2CH_3$, hierve a unos $36\,°C$, mientras que el 2,2-dimetilpropano (neopentano), con la misma fórmula molecular, hierve a unos $10\,°C$.…

El pentano, $CH_3CH_2CH_2CH_2CH_3$, hierve a unos $36\,°C$, mientras que el 2,2-dimetilpropano (neopentano), con la misma fórmula molecular, hierve a unos $10\,°C$. Argumentá a qué se debe la diferencia, considerando la geometría de las moléculas, la superficie de contacto y la intensidad de los dipolos temporarios. Explicá también qué esperarías para el 2-metilbutano respecto de estos dos valores.

Resolver

Polares y no polares: puentes de hidrógeno y solubilidad

Comparemos el etanol y el propano, de masas molares parecidas (46 y 44 g/mol).

Sustancia Fórmula Fuerzas dominantes Punto de ebullición
Propano $\ce{CH3CH2CH3}$ dipolos temporarios $-42\,°C$
Etanol $\ce{CH3CH2OH}$ puentes de hidrógeno (por el $\ce{O-H}$) + dispersión $78\,°C$

Con masas parecidas, la dispersión es comparable; la enorme diferencia (120 °C) la causan los puentes de hidrógeno del etanol.

Solubilidad: «lo semejante disuelve a lo semejante». Para que un soluto se disuelva, las atracciones soluto-solvente deben ser comparables a las que ya había en cada sustancia pura.

  • Agua (polar, con puentes) disuelve sustancias polares o iónicas.

  • Hexano o nafta (no polares) disuelven sustancias no polares.

El aceite de motor es una mezcla de hidrocarburos no polares. Con agua, las moléculas de agua se atraen mucho entre sí (puentes) y no "abren lugar" para el aceite, que solo ofrece dispersión: no se mezclan. Con nafta, ambos tienen dipolos temporarios de intensidad similar: se mezclan.

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Valentina quiere limpiar una mancha de aceite de motor de su ropa. Probó con agua y no pudo sacarla, pero con nafta la mancha se disolvió. Explicá este resultado en…

Valentina quiere limpiar una mancha de aceite de motor de su ropa. Probó con agua y no pudo sacarla, pero con nafta la mancha se disolvió. Explicá este resultado en términos de polaridad de las moléculas y de las fuerzas intermoleculares entre el soluto y el solvente.

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Practica★★☆Sin empezar
Comparás el etanol, $CH_3CH_2OH$, con el propano, $CH_3CH_2CH_3$, cuyas masas molares son parecidas (46 g/mol y 44 g/mol). El etanol hierve a unos $78\,°C$ y el propano…

Comparás el etanol, $CH_3CH_2OH$, con el propano, $CH_3CH_2CH_3$, cuyas masas molares son parecidas (46 g/mol y 44 g/mol). El etanol hierve a unos $78\,°C$ y el propano a unos $-42\,°C$. Explicá a qué se debe esa gran diferencia, indicando las fuerzas intermoleculares presentes en cada sustancia.

Resolver

Vuelta al principio: el propano y el butano de la garrafa tienen cadenas cortas, dipolos temporarios débiles y puntos de ebullición bajos, por eso se vaporizan al abrir la válvula. La nafta contiene moléculas más largas, con más atracción, y por eso sigue líquida.

Resumen

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