Fuerzas intermoleculares y propiedades físicas de los líquidos
En Bogotá, el agua de la olla hierve a unos 92 °C y se evapora despacio, mientras que la acetona con que se quita el esmalte de uñas desaparece en segundos. Las dos son líquidos, pero se comportan muy distinto. ¿Por qué? La respuesta no está dentro de las moléculas, sino en lo que ocurre entre ellas.
Enlace covalente y fuerzas intermoleculares
Una molécula de agua, $H_2O$, está formada por átomos unidos por enlaces covalentes: comparten electrones. Ese enlace actúa dentro de la molécula y es fuerte. Para romperlo hay que hacer una reacción química.
Pero las moléculas también se atraen entre sí. Esas atracciones se llaman fuerzas intermoleculares. Son mucho más débiles que un enlace covalente y actúan entre moléculas vecinas.
Por eso, al hervir agua no se rompen las moléculas: sigue siendo $H_2O$ en forma de vapor. Solo se separan unas de otras.
Valentina está repasando para la evaluación de Ciencias Naturales y escribe en su cuaderno: «Los enlaces covalentes y las fuerzas intermoleculares son lo mismo». Explica…
Valentina está repasando para la evaluación de Ciencias Naturales y escribe en su cuaderno: «Los enlaces covalentes y las fuerzas intermoleculares son lo mismo». Explica por qué esta afirmación es incorrecta. Indica dónde actúa cada tipo de fuerza (dentro de una molécula o entre moléculas) y cuál de las dos suele ser más débil.
Tres tipos de fuerzas intermoleculares
Según cómo sea la molécula, la atracción entre moléculas es de uno de estos tipos (de menos a más intensa):
| Fuerza | ¿Quién la tiene? | Origen |
|---|---|---|
| Dispersión (Van der Waals) | Todas las moléculas | Desplazamientos momentáneos de los electrones crean polos temporales |
| Dipolo-dipolo | Moléculas polares | El extremo positivo de una atrae al negativo de otra |
| Puente de hidrógeno | Moléculas con O-H, N-H o F-H | Un H unido a O, N o F es atraído por un par de electrones de otra molécula |
Dispersión. Los electrones se mueven y por un instante un lado de la molécula queda un poco negativo y el otro un poco positivo. Ese polo temporal induce otro en la vecina y se atraen. Cuanto más grande es la molécula (más electrones), más fuerte es esta atracción. Es la única que tienen las moléculas sin polos como el hexano $C_6H_{14}$.
Dipolo-dipolo. En una molécula polar, como la acetona, un extremo es parcialmente negativo y otro parcialmente positivo. Los polos opuestos de moléculas vecinas se atraen.
Puente de hidrógeno. Es un dipolo-dipolo especialmente fuerte. Se da cuando un hidrógeno unido a O, N o F de una molécula es atraído por el O, N o F de otra. El agua ($H_2O$) y el etanol ($CH_3CH_2OH$) los forman, porque tienen grupos $-OH$. El hexano no, porque solo tiene C e H.
Observa las siguientes sustancias líquidas: agua ($H_2O$), etanol ($CH_3CH_2OH$) y hexano ($C_6H_{14}$). Cada molécula de agua y de etanol tiene un grupo $-OH$, y el…
Observa las siguientes sustancias líquidas: agua ($H_2O$), etanol ($CH_3CH_2OH$) y hexano ($C_6H_{14}$). Cada molécula de agua y de etanol tiene un grupo $-OH$, y el hexano solo tiene átomos de carbono e hidrógeno. Indica cuáles de estas sustancias pueden formar puentes de hidrógeno entre sus propias moléculas y explica en qué se basa tu respuesta.
Punto de ebullición y de fusión
Para que un líquido hierva, sus moléculas deben separarse del todo y pasar a gas. Eso cuesta energía, porque hay que vencer las atracciones intermoleculares. Regla:
Los datos lo confirman:
| Sustancia | Fuerza principal | Punto de ebullición (°C) |
|---|---|---|
| Pentano | Dispersión | 36 |
| Etanol | Puentes de hidrógeno | 78 |
| Agua | Puentes de hidrógeno | 100 |
El pentano solo se atrae por dispersión: con poca energía las moléculas se escapan. El etanol y el agua forman puentes de hidrógeno y necesitan más calor. El agua hierve más alto que el etanol porque cada molécula forma más puentes (dos H y dos pares de electrones en el O).
También influye el tamaño. Con el mismo tipo de fuerza, una molécula más grande tiene más electrones y más dispersión.
Un caso especial: en los hidruros del grupo 16 ($H_2S$, $H_2Se$, $H_2Te$) el punto de ebullición sube al crecer la molécula, por la dispersión. El agua rompe la tendencia con $100\ ^\circ\text{C}$ porque, aun siendo la más pequeña, forma puentes de hidrógeno, mucho más fuertes que la dispersión.
En el laboratorio del colegio, Mariana mide los puntos de ebullición de tres líquidos a nivel del mar y obtiene la siguiente tabla: | Sustancia | Fuerza intermolecular…
En el laboratorio del colegio, Mariana mide los puntos de ebullición de tres líquidos a nivel del mar y obtiene la siguiente tabla:
| Sustancia | Fuerza intermolecular principal | Punto de ebullición (°C) |
|---|---|---|
| Pentano ($C_5H_{12}$) | Van der Waals (dispersión) | 36 |
| Etanol ($C_2H_5OH$) | Puentes de hidrógeno | 78 |
| Agua ($H_2O$) | Puentes de hidrógeno | 100 |
Explica por qué el pentano hierve a una temperatura mucho menor que el etanol y el agua. Relaciona tu explicación con la energía que se necesita para separar las moléculas al pasar de líquido a gas.
Juan José analiza los datos de dos líquidos de masas molares parecidas a temperatura ambiente: | Sustancia | Masa molar (g/mol) | Fuerza intermolecular predominante |…
Juan José analiza los datos de dos líquidos de masas molares parecidas a temperatura ambiente:
| Sustancia | Masa molar (g/mol) | Fuerza intermolecular predominante | Punto de ebullición (°C) |
|---|---|---|---|
| Butano ($C_4H_{10}$) | 58 | Van der Waals (dispersión) | $-1$ |
| Propanona o acetona ($C_3H_6O$) | 58 | Dipolo-dipolo (moléculas polares) | 56 |
Además, Juan José sabe que el butano se mezcla muy poco con el agua, mientras que la acetona se mezcla con ella en cualquier proporción. Argumenta, a partir de las fuerzas intermoleculares, por qué sustancias con masas molares casi iguales tienen puntos de ebullición tan distintos. Explica también la diferencia en solubilidad en agua. Ten en cuenta que la acetona no forma puentes de hidrógeno consigo misma, pero sí puede recibirlos del agua a través del átomo de oxígeno.
Daniela estudia los hidruros de los elementos del grupo 16 y encuentra estos puntos de ebullición aproximados: | Compuesto | $H_2S$ | $H_2Se$ | $H_2Te$ | $H_2O$ |…
Daniela estudia los hidruros de los elementos del grupo 16 y encuentra estos puntos de ebullición aproximados:
| Compuesto | $H_2S$ | $H_2Se$ | $H_2Te$ | $H_2O$ |
|---|---|---|---|---|
| Punto de ebullición (°C) | $-60$ | $-41$ | $-2$ | 100 |
Observa que, de $H_2S$ a $H_2Te$, el punto de ebullición aumenta al crecer el tamaño de la molécula. El agua rompe esa tendencia. Analiza el caso: explica por qué aumenta el punto de ebullición en los tres primeros compuestos usando las fuerzas de Van der Waals. Explica luego por qué el agua, con la molécula más pequeña, tiene el punto de ebullición más alto. Finalmente, relaciona esa diferencia con la importancia del agua líquida en los ecosistemas, por ejemplo en un páramo como el de Chingaza.
Solubilidad: lo semejante disuelve a lo semejante
Para que dos líquidos se mezclen, las atracciones entre moléculas distintas deben ser comparables a las que había entre moléculas iguales. De ahí la regla «semejante disuelve a semejante».
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Agua y etanol: ambos forman puentes de hidrógeno. Las moléculas de etanol se acomodan entre las de agua formando nuevos puentes. Resultado: una sola fase, se mezclan en cualquier proporción.
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Agua y aceite: el aceite es apolar (solo dispersión). Las moléculas de agua prefieren seguir pegadas entre ellas por puentes de hidrógeno y dejan al aceite aparte. Resultado: dos capas.
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Acetona y agua: la acetona es polar y puede atraerse con el agua, así que se mezcla. El butano, apolar, casi no.
¿Por qué el aceite queda arriba?
La densidad es masa sobre volumen. El aceite flota porque es menos denso que el agua. Las fuerzas intermoleculares explican la separación (no se mezclan), y la densidad decide quién queda arriba: el menos denso, encima.
Samuel prepara dos mezclas en vasos transparentes. En el primero mezcla agua con etanol y obtiene una sola fase. En el segundo mezcla agua con aceite de cocina y observa…
Samuel prepara dos mezclas en vasos transparentes. En el primero mezcla agua con etanol y obtiene una sola fase. En el segundo mezcla agua con aceite de cocina y observa que se forman dos capas separadas, con el aceite arriba. Explica ambos resultados usando las fuerzas intermoleculares que actúan en cada mezcla. Explica también por qué el aceite queda por encima del agua si su densidad es menor.
Tensión superficial
Dentro de un líquido, cada molécula es atraída por todas las vecinas, en todas direcciones, y las fuerzas se compensan. En la superficie no hay moléculas arriba: las de la superficie son atraídas solo hacia los lados y hacia abajo. Esa atracción neta hacia dentro hace que la superficie se comporte como una piel elástica. Es la tensión superficial.
La tensión superficial es alta en el agua, por sus puentes de hidrógeno. Explica varios hechos:
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Una gota de agua sobre plástico se mantiene casi redonda: la superficie se contrae para tener el menor área posible.
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Un clip pequeño flota con cuidado sobre el agua, aunque el metal es más denso: la «piel» se hunde un poco y lo sostiene sin romperse.
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Algunos insectos caminan sobre estanques por la misma razón.
El jabón reduce la tensión superficial: sus moléculas se meten entre las de agua y debilitan los puentes de hidrógeno de la superficie. La «piel» se rompe y el clip se hunde.
Santiago deja caer con cuidado una gota de agua sobre una hoja de plástico y observa que la gota conserva una forma casi redonda en lugar de extenderse por completo.…
Santiago deja caer con cuidado una gota de agua sobre una hoja de plástico y observa que la gota conserva una forma casi redonda en lugar de extenderse por completo. Nombra la propiedad del agua que explica este comportamiento y describe con tus palabras qué ocurre con las fuerzas entre las moléculas de la superficie de la gota.
Isabella quiere explicar por qué un clip de metal pequeño puede flotar sobre el agua si se coloca con cuidado, aunque el metal es más denso que el agua. Luego agrega una…
Isabella quiere explicar por qué un clip de metal pequeño puede flotar sobre el agua si se coloca con cuidado, aunque el metal es más denso que el agua. Luego agrega una gota de jabón líquido cerca del clip y este se hunde. Explica ambos hechos usando la tensión superficial y los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua. Indica qué efecto crees que tiene el jabón sobre esas atracciones.