El agua hierve a 100 °C, pero el propano, que tiene casi la misma masa molar que el etanol, hierve a −42 °C. En el tanque de gas de la cocina, el propano es líquido a presión, y en la olla del sancocho el agua se evapora sin que ninguna molécula se rompa. ¿Qué es lo que se vence cuando una sustancia hierve o se disuelve, y cómo se predice a partir de la estructura de sus moléculas?
Fuerzas intermoleculares
Dentro de una molécula, los átomos están unidos por enlaces covalentes: son fuertes. Entre moléculas vecinas actúan atracciones mucho más débiles, las fuerzas intermoleculares. Son ellas las que determinan si una sustancia molecular es gas, líquido o sólido, y cuánto cuesta hacerla hervir.
Fíjate en cómo se dice: son interacciones entre moléculas. No decimos que «la molécula tiene puente de hidrógeno», sino que entre moléculas de agua (o de etanol) se establecen interacciones de tipo puente de hidrógeno.
Dispersión: por qué crece con el tamaño
En el F₂, Cl₂, Br₂ e I₂ las moléculas son apolares, así que solo hay dispersión. Al bajar en el grupo, los átomos tienen más electrones y una nube más grande y fácil de deformar: los dipolos instantáneos son más intensos y las moléculas se atraen más. Por eso el F₂ y el Cl₂ son gases, el Br₂ es líquido y el I₂ es sólido a temperatura ambiente.
La misma idea vale para una serie de hidrocarburos: cuanto más larga la cadena, mayor superficie de contacto y mayor punto de ebullición.
Punto de ebullición en compuestos orgánicos
Para comparar puntos de ebullición, sigue este orden de criterios:
Si los compuestos tienen el mismo grupo funcional, el de cadena más larga (más masa y superficie) hierve a mayor temperatura.
Si tienen masas parecidas y distinto grupo funcional, importa qué tipo de interacción se puede establecer entre moléculas.
Solubilidad: lo semejante disuelve a lo semejante
Para que algo se disuelva, las nuevas interacciones soluto-disolvente tienen que compensar las que se pierden en el soluto puro y en el disolvente puro. Si son de tipo parecido, se disuelve.
Sustancias apolares (I₂, aceites, hidrocarburos) se disuelven en disolventes apolares como el hexano, porque solo hay dispersión de ambos lados.
Sustancias que pueden formar interacciones de tipo puente de hidrógeno con el agua (alcoholes pequeños, azúcares) se disuelven en agua.
Enlace metálico: la nube de electrones
Un alambre de cobre se aplana con un martillo sin romperse; un cristal de sal gruesa de cocina se hace polvo. ¿Qué enlace permite que los metales cambien de forma y conduzcan corriente?
Practica★☆☆Sin empezar
Se dispone en el laboratorio de dos sólidos cristalinos puros, rotulados como muestra 1 (cobre metálico, $\mathrm{Cu}$) y muestra 2 (cloruro de sodio, $\mathrm{NaCl}$).…
Se dispone en el laboratorio de dos sólidos cristalinos puros, rotulados como muestra 1 (cobre metálico, $\mathrm{Cu}$) y muestra 2 (cloruro de sodio, $\mathrm{NaCl}$). Se mide la conductividad eléctrica de ambos en estado sólido y tras someterlos a fusión térmica.
a) Explica por qué el cobre conduce la corriente eléctrica en estado sólido y líquido, basándote en el modelo de la nube de electrones.
b) Justifica por qué el $\mathrm{NaCl}$ es un aislante eléctrico en estado sólido pero se convierte en buen conductor eléctrico cuando se funde.
El diamante raya cualquier material y es aislante; la mina del lápiz (grafito) es blanda y conduce. Los dos son carbono puro. ¿Por qué cambian tanto?
Comparación de los cuatro tipos de sólidos
Practica★★★Sin empezar
Se caracterizan en el laboratorio cuatro sustancias puras después de someterlas a diversas pruebas físicas. Los resultados experimentales se recopilan a continuación:…
Se caracterizan en el laboratorio cuatro sustancias puras después de someterlas a diversas pruebas físicas. Los resultados experimentales se recopilan a continuación:
Sustancia W: punto de fusión $1710\,^\circ\mathrm{C}$; no conduce la electricidad en estado sólido ni líquido; completamente insoluble en agua y en disolventes orgánicos apolares.
Sustancia X: punto de fusión $1084\,^\circ\mathrm{C}$; excelente conductor eléctrico y térmico tanto sólido como líquido fundido; maleable y dúctil.
Sustancia Y: punto de fusión $801\,^\circ\mathrm{C}$; no conduce la electricidad en estado sólido, pero sí fundida o disuelta en agua; sólido quebradizo.
Sustancia Z: punto de fusión $-23\,^\circ\mathrm{C}$, punto de ebullición $77\,^\circ\mathrm{C}$; no conduce apreciablemente en estado puro, sólido o líquido; soluble en hexano e insoluble en agua.
a) Clasifica razonadamente cada sustancia (W, X, Y, Z) en uno de los cuatro tipos de sólidos: iónico, covalente reticular, metálico o covalente molecular.
b) Propón una sustancia química real coherente para cada uno de los cuatro tipos descritos, atendiendo a sus propiedades cualitativas; no necesitas memorizar los valores exactos de fusión.
Vuelve al principio: el propano hierve a −42 °C y el etanol a 78 °C con casi la misma masa porque entre moléculas de etanol hay interacciones de tipo puente de hidrógeno y entre las de propano solo dispersión; el cobre se dobla por su nube de electrones, la sal se quiebra por la repulsión entre iones y el diamante raya por su red covalente continua.
Resumen
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