Fuerzas intermoleculares, isomería y puntos de ebullición
En una estación de servicio, Santino ve que la garrafa de su casa guarda butano líquido a presión, pero el kerosene de la estufa es líquido a temperatura ambiente. Los dos son hidrocarburos. ¿Por qué uno hierve tan fácil y el otro no? Y si se le cae nafta a un charco, ¿por qué no se mezcla con el agua? La respuesta está en las fuerzas que actúan entre las moléculas.
Polaridad de enlaces y de moléculas
Un enlace es polar cuando los dos átomos atraen distinto a los electrones. Eso pasa si tienen distinta electronegatividad: el oxígeno atrae más que el hidrógeno, por eso en el enlace O–H los electrones se corren hacia el oxígeno (carga parcial negativa $\delta^-$) y el hidrógeno queda con $\delta^+$.
En cambio, los enlaces C–C son apolares (átomos iguales) y los C–H son prácticamente apolares (electronegatividades muy parecidas).
Una molécula es polar si tiene enlaces polares y su geometría no los compensa. Los hidrocarburos solo tienen enlaces C–C y C–H, así que son moléculas no polares. El agua, en cambio, es angular y sus dos enlaces O–H no se compensan: es polar.
Los hidrocarburos como el hexano, $C_6H_{14}$, están formados solo por carbono e hidrógeno. Indicá qué tipo de fuerza intermolecular predomina entre sus moléculas y…
Los hidrocarburos como el hexano, $C_6H_{14}$, están formados solo por carbono e hidrógeno. Indicá qué tipo de fuerza intermolecular predomina entre sus moléculas y explicá si se trata de moléculas polares o no polares.
Las tres fuerzas entre moléculas
Para que un líquido hierva hay que separar las moléculas unas de otras. Cuanto más fuerte sea la atracción entre ellas, más energía (más temperatura) hace falta. Hay tres tipos principales, de menor a mayor intensidad:
| Fuerza | Entre qué moléculas | Origen |
|---|---|---|
| Dispersión de London (dipolos temporarios) | Todas, y es la única en las no polares | Los electrones se mueven y por instantes forman un dipolo que induce otro en la vecina |
| Dipolo-dipolo (dipolos permanentes) | Moléculas polares | Se atraen el extremo $\delta^+$ de una y el $\delta^-$ de otra |
| Puente de hidrógeno | Moléculas con H unido a O, N o F | Caso especial y fuerte de dipolo-dipolo |
La dispersión de London existe en todas las sustancias; lo que cambia es su intensidad. Crece con la cantidad de electrones, es decir, con la masa molar, y con la superficie de contacto entre moléculas.
Los hidrocarburos como el hexano, $C_6H_{14}$, están formados solo por carbono e hidrógeno. Indicá qué tipo de fuerza intermolecular predomina entre sus moléculas y…
Los hidrocarburos como el hexano, $C_6H_{14}$, están formados solo por carbono e hidrógeno. Indicá qué tipo de fuerza intermolecular predomina entre sus moléculas y explicá si se trata de moléculas polares o no polares.
Masa molar y longitud de la cadena
Mirá los primeros alcanos lineales:
| Alcano | Fórmula | M (g/mol) | Punto de ebullición |
|---|---|---|---|
| Metano | $CH_4$ | 16 | −162 °C |
| Etano | $C_2H_6$ | 30 | −89 °C |
| Propano | $C_3H_8$ | 44 | −42 °C |
| Butano | $C_4H_{10}$ | 58 | −1 °C |
| Pentano | $C_5H_{12}$ | 72 | 36 °C |
| Hexano | $C_6H_{14}$ | 86 | 69 °C |
| Heptano | $C_7H_{16}$ | 100 | 98 °C |
El punto de ebullición sube de manera regular. Cada vez que se agrega un grupo $-CH_2-$ (metileno) la cadena es más larga, hay más electrones y más superficie de contacto, así que las fuerzas de London son mayores y hace falta más energía para separar las moléculas.
Por eso el metano y el propano de la garrafa son gases o están licuados a presión, mientras que las fracciones de kerosene y gasoil (cadenas más largas) son líquidas a temperatura ambiente.
Entre el metano ($CH_4$), el etano ($C_2H_6$) y el propano ($C_3H_8$), indicá cuál tiene el mayor punto de ebullición y cuál el menor. Justificá tu respuesta en una o…
Entre el metano ($CH_4$), el etano ($C_2H_6$) y el propano ($C_3H_8$), indicá cuál tiene el mayor punto de ebullición y cuál el menor. Justificá tu respuesta en una o dos oraciones usando el concepto de masa molar.
Los puntos de ebullición aproximados de tres alcanos lineales son: pentano, 36 °C; hexano, 69 °C; heptano, 98 °C. Interpretá estos datos explicando cómo varía el punto…
Los puntos de ebullición aproximados de tres alcanos lineales son: pentano, 36 °C; hexano, 69 °C; heptano, 98 °C. Interpretá estos datos explicando cómo varía el punto de ebullición al aumentar la longitud de la cadena y por qué ocurre, nombrando el tipo de fuerzas que intervienen. Estimá, justificando, si el octano hervirá por encima o por debajo de 98 °C.
Isomería de cadena y ramificación
Los isómeros tienen la misma fórmula molecular pero distinta estructura. En los isómeros de cadena cambia la forma del esqueleto de carbono. Para $C_5H_{12}$ hay tres:
Dos moléculas con igual masa molar pueden tener distinto punto de ebullición:
| Isómero | Forma | Punto de ebullición |
|---|---|---|
| Pentano | alargada | 36 °C |
| 2-metilbutano | algo compacta | 28 °C |
| 2,2-dimetilpropano | casi esférica | 9,5 °C |
La molécula alargada se apoya sobre la vecina en toda su longitud (mucha superficie de contacto); la ramificada es más compacta y se toca en menos puntos. Menos contacto, dispersión de London más débil, hierve a menor temperatura.
El pentano (36 °C) y el 2,2-dimetilpropano (9,5 °C) son isómeros de cadena de fórmula $C_5H_{12}$. Dibujá o describí la estructura de cada uno y explicá por qué el…
El pentano (36 °C) y el 2,2-dimetilpropano (9,5 °C) son isómeros de cadena de fórmula $C_5H_{12}$. Dibujá o describí la estructura de cada uno y explicá por qué el isómero ramificado tiene menor punto de ebullición, relacionando la forma de la molécula con la superficie de contacto y las fuerzas de dispersión de London.
Los tres isómeros del pentano son el pentano, el 2-metilbutano y el 2,2-dimetilpropano. Ordenalos de mayor a menor punto de ebullición y justificá el orden considerando…
Los tres isómeros del pentano son el pentano, el 2-metilbutano y el 2,2-dimetilpropano. Ordenalos de mayor a menor punto de ebullición y justificá el orden considerando la geometría de cada molécula. Después, analizá el caso de una mezcla de pentano y agua: predecí si serán miscibles y cuál de los dos líquidos quedaría en la capa superior sabiendo que la densidad del pentano es aproximadamente $0{,}63\ \text{g/cm}^3$. Fundamentá cada predicción con las fuerzas intermoleculares involucradas.
Grupos funcionales: más que masa molar
Comparemos tres sustancias de masa molar casi igual:
| Sustancia | Fórmula | M (g/mol) | Fuerza dominante | P. ebullición |
|---|---|---|---|---|
| Butano | $CH_3CH_2CH_2CH_3$ | 58 | London | −1 °C |
| Propanona (acetona) | $CH_3COCH_3$ | 58 | dipolo-dipolo (más London) | 56 °C |
| Propan-1-ol | $CH_3CH_2CH_2OH$ | 60 | puente de hidrógeno (más London y dipolo-dipolo) | 97 °C |
El butano es no polar. La acetona tiene un carbonilo C=O polar, así que sus moléculas se atraen por dipolos permanentes. El propanol tiene O–H: el H de una molécula (con $\delta^+$) es atraído por el O de otra, formando puentes de hidrógeno, la interacción más fuerte de las tres.
Se tienen tres sustancias de masas molares parecidas: butano, $C_4H_{10}$ (M ≈ 58 g/mol), propanona o acetona, $CH_3COCH_3$ (M ≈ 58 g/mol) y propan-1-ol,…
Se tienen tres sustancias de masas molares parecidas: butano, $C_4H_{10}$ (M ≈ 58 g/mol), propanona o acetona, $CH_3COCH_3$ (M ≈ 58 g/mol) y propan-1-ol, $CH_3CH_2CH_2OH$ (M ≈ 60 g/mol). Ordenalas de menor a mayor punto de ebullición y argumentá el orden indicando para cada una el tipo de fuerzas intermoleculares dominantes (dispersión de London, dipolo-dipolo, puente de hidrógeno). Explicá por qué la masa molar por sí sola no alcanza para predecir el resultado.
Solubilidad: lo semejante disuelve a lo semejante
Para que una sustancia se disuelva, las interacciones nuevas entre soluto y solvente deben ser comparables a las que se rompen. Por eso:
-
Las sustancias polares se disuelven en solventes polares (el agua disuelve sal, azúcar, etanol).
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Las no polares se disuelven en solventes no polares (la nafta disuelve grasa y aceite).
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Polar con no polar: no se mezclan.
El agua tiene puentes de hidrógeno fuertes entre sus moléculas; una molécula de hidrocarburo no puede formarlos con ellas y solo ofrece London débil, así que el agua «prefiere» seguir unida a sí misma y expulsa a la nafta.
Cuando no se mezclan, la capa de arriba es la de menor densidad. La nafta (≈ 0,7 g/cm³) flota sobre el agua (1 g/cm³), por eso una mancha de combustible queda en la superficie.
Santino mezcla en un vaso nafta con agua y observa que forman dos capas separadas. Explicá por qué no se mezclan, indicando la polaridad de cada sustancia, y decidí si…
Santino mezcla en un vaso nafta con agua y observa que forman dos capas separadas. Explicá por qué no se mezclan, indicando la polaridad de cada sustancia, y decidí si la nafta es soluble o insoluble en agua.
Camila necesita limpiar una mancha de grasa de su bicicleta. Tiene a mano agua, etanol y kerosene. Explicá, a partir de la polaridad y de las fuerzas intermoleculares,…
Camila necesita limpiar una mancha de grasa de su bicicleta. Tiene a mano agua, etanol y kerosene. Explicá, a partir de la polaridad y de las fuerzas intermoleculares, cuál de los tres líquidos disuelve mejor la grasa (formada por moléculas de cadena larga no polares) y por qué el agua no resulta eficaz.
Volvé al principio: el butano de la garrafa tiene cadena corta y solo London débil, por eso hierve a −1 °C y se licúa a presión; el kerosene tiene cadenas largas y London fuerte, por eso es líquido. Y la nafta no se mezcla con el agua porque es no polar y el agua es polar.