Fuerzas de interacción molecular
En una cocina de Penonomé, el tanque de gas (propano) está lleno de líquido, pero al abrir la llave sale gas. En cambio, el agua de la olla necesita 100 °C para hervir. ¿Qué tiene el agua que la hace tan difícil de separar en moléculas sueltas, mientras que el propano se escapa con facilidad? La respuesta está en las fuerzas que mantienen unidas a las partículas.
Qué son las fuerzas de interacción
Dentro de una molécula, los átomos se mantienen unidos por enlaces covalentes (fuerzas intramoleculares, muy fuertes). Entre una molécula y otra actúan fuerzas mucho más débiles, las fuerzas intermoleculares. Cuando una sustancia hierve, no se rompen los enlaces de cada molécula: se vencen estas fuerzas entre moléculas.
Por eso: a mayores fuerzas, mayor punto de ebullición y más energía hace falta para separar las partículas.
Cuando hay iones involucrados (sales), las fuerzas son de otro tipo y mucho más intensas. El programa estudia cinco, de la más débil a la más fuerte, en general:
| Fuerza | Entre qué partículas | Intensidad |
|---|---|---|
| Dispersión (London) | Cualquier molécula, polar o no | Débil |
| Dipolo-dipolo | Moléculas polares | Media |
| Puente de hidrógeno | Moléculas con H unido a F, O o N | Media-alta |
| Ion-dipolo | Un ion y una molécula polar | Alta |
| Ion-ion | Cationes y aniones | Muy alta |
Fuerzas de dispersión o de London
Están presentes en todas las sustancias, incluso en las no polares como $\text{N}_2$, $\text{Cl}_2$ o $\text{CH}_4$.
Los electrones se mueven constantemente. En un instante pueden quedar más en un lado de la molécula, que se vuelve ligeramente negativa ($\delta^-$) mientras el otro lado queda $\delta^+$: un dipolo instantáneo. Ese dipolo deforma la nube de la molécula vecina y le induce otro dipolo; las dos se atraen un momento.
¿De qué depende su intensidad? De la polarizabilidad: qué tan fácil se deforma la nube electrónica. Una molécula grande, con más electrones, se deforma más fácil y se atrae más fuerte con sus vecinas. Por eso, al aumentar la masa y el tamaño, sube el punto de ebullición:
| Sustancia | Punto de ebullición aproximado |
|---|---|
| $\text{CH}_4$ (metano) | $-162\,^\circ\text{C}$ |
| $\text{C}_3\text{H}_8$ (propano) | $-42\,^\circ\text{C}$ |
Nombra la fuerza intermolecular que está presente en todas las sustancias moleculares, incluso en las apolares como el nitrógeno, $\text{N}2$, y explica en una o dos…
Nombra la fuerza intermolecular que está presente en todas las sustancias moleculares, incluso en las apolares como el nitrógeno, $\text{N}_2$, y explica en una o dos frases cómo se origina.
Los puntos de ebullición de los alcanos aumentan con el tamaño de la molécula: el metano, $\text{CH}4$, hierve a unos $-162\,^\circ\text{C}$ y el butano,…
Los puntos de ebullición de los alcanos aumentan con el tamaño de la molécula: el metano, $\text{CH}_4$, hierve a unos $-162\,^\circ\text{C}$ y el butano, $\text{C}_4\text{H}_{10}$, a unos $0\,^\circ\text{C}$. El butano es el gas que se vende en cilindros para cocinar. Explica esta diferencia usando las fuerzas de dispersión de London y la idea de polarizabilidad.
Dipolo-dipolo
Las moléculas polares (como el $\text{HCl}$) tienen un extremo $\delta^+$ y otro $\delta^-$ permanentes. El extremo positivo de una molécula atrae al negativo de la vecina.
Para que haya dipolo-dipolo, la molécula debe ser polar: enlaces polares y una geometría que no cancele los dipolos (revisa la página de RPECV). El $\text{CO}_2$ tiene enlaces polares, pero es lineal y se cancelan: es no polar.
A masa molar parecida, una sustancia polar hierve a mayor temperatura que una no polar, porque suma dipolo-dipolo a la dispersión.
Puente de hidrógeno
Es un dipolo-dipolo especialmente fuerte. Aparece cuando un átomo de H unido a F, O o N (muy electronegativos) es atraído por un par libre de F, O o N de otra molécula. El H queda casi «desnudo» y es muy pequeño, así que se acerca mucho al par libre.
Condición para formarlos entre moléculas iguales: tener H enlazado a F, O o N y un par libre en F, O o N.
| Molécula | ¿Forma puentes de hidrógeno? |
|---|---|
| $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{HF}$ | Sí |
| $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ (tiene O–H) | Sí |
| $\text{CH}_4$ | No (C–H no es suficientemente polar) |
| $\text{HBr}$ | No (Br no es F, O ni N) |
| $\text{CH}_3\text{CHO}$ | No entre sí (tiene O, pero ningún H unido a O) |
Indica cuál de las siguientes moléculas puede formar puentes de hidrógeno con otras moléculas iguales: $\text{CH}4$, $\text{NH}3$, $\text{HBr}$ o $\text{CO}2$. Explica…
Indica cuál de las siguientes moléculas puede formar puentes de hidrógeno con otras moléculas iguales: $\text{CH}_4$, $\text{NH}_3$, $\text{HBr}$ o $\text{CO}_2$. Explica qué condición debe cumplir una molécula para formarlos.
Ion-dipolo e ion-ion
Ion-ion: atracción entre cationes y aniones, como en el $\text{NaCl}$. Es la fuerza que mantiene el cristal iónico y la más intensa de las cinco; por eso las sales tienen puntos de fusión muy altos. Es la base de las salinas de Aguadulce: la sal queda como sólido cristalino al evaporarse el agua de mar.
Ion-dipolo: atracción entre un ion y una molécula polar. Al disolver $\text{NaCl}$ en agua, las moléculas de agua rodean a cada ion:
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Al $\text{Na}^+$ lo rodean con su extremo negativo, el del oxígeno ($\delta^-$), como muestra el dibujo.
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Al $\text{Cl}^-$ lo rodean con su extremo positivo, el de los hidrógenos ($\delta^+$).
Esta energía de hidratación compensa la que costó romper el cristal, y por eso muchas sales se disuelven en agua.
Cuando se disuelve sal de cocina, $\text{NaCl}$, en agua, ¿qué tipo de fuerza de interacción se establece entre los iones y las moléculas de agua? Nombra la fuerza y…
Cuando se disuelve sal de cocina, $\text{NaCl}$, en agua, ¿qué tipo de fuerza de interacción se establece entre los iones y las moléculas de agua? Nombra la fuerza y describe cuál extremo de la molécula de agua se orienta hacia el ion $\text{Na}^+$.
Efecto en el punto de ebullición y la solubilidad
Punto de ebullición. Para comparar sustancias moleculares:
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Identifica las fuerzas de cada una (¿es polar? ¿tiene H–F, O–H o N–H?).
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Si la masa molar es parecida, manda el tipo de fuerza: London < dipolo-dipolo < puente de hidrógeno.
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Si el tipo es el mismo, manda el tamaño: más electrones, mayor punto de ebullición.
Solubilidad: «lo semejante disuelve a lo semejante».
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Las sustancias polares y las iónicas se disuelven en solventes polares como el agua (ion-dipolo, dipolo-dipolo, puentes de hidrógeno).
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Las no polares se disuelven en solventes no polares (London).
El aceite de cocina es no polar: no puede formar interacciones fuertes con el agua, y las moléculas de agua prefieren estar unidas entre sí por puentes de hidrógeno, así que el aceite queda aparte. El etanol tiene un grupo –OH que forma puentes de hidrógeno con el agua, por eso se mezclan.
Identifica las fuerzas intermoleculares predominantes en cada sustancia pura: $\text{Cl}2$, $\text{HCl}$ y $\text{H}2\text{O}$. Luego ordénalas de menor a mayor punto de…
Identifica las fuerzas intermoleculares predominantes en cada sustancia pura: $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ y $\text{H}_2\text{O}$. Luego ordénalas de menor a mayor punto de ebullición y justifica el orden con las fuerzas que identificaste.
El aceite de cocina no se mezcla con el agua, pero el alcohol etílico, $\text{CH}3\text{CH}2\text{OH}$, sí. Con base en las fuerzas intermoleculares, explica por qué el…
El aceite de cocina no se mezcla con el agua, pero el alcohol etílico, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$, sí. Con base en las fuerzas intermoleculares, explica por qué el aceite (apolar) no se disuelve en agua y por qué el etanol sí lo hace.
Se comparan tres líquidos de masa molar parecida: el propano, $\text{C}3\text{H}8$ (masa molar 44 g/mol), el etanal, $\text{CH}3\text{CHO}$ (44 g/mol) y el etanol,…
Se comparan tres líquidos de masa molar parecida: el propano, $\text{C}_3\text{H}_8$ (masa molar 44 g/mol), el etanal, $\text{CH}_3\text{CHO}$ (44 g/mol) y el etanol, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ (46 g/mol). Identifica las fuerzas intermoleculares dominantes en cada uno, ordénalos de menor a mayor punto de ebullición y analiza cuál es más soluble en agua, justificando con las interacciones que cada uno puede establecer con las moléculas de agua.
Las fuerzas en la vida: el agua
Mira los hidruros del grupo 16. Del $\text{H}_2\text{S}$ al $\text{H}_2\text{Te}$ el punto de ebullición sube porque aumenta el tamaño y la polarizabilidad (más London). Si el agua siguiera esa tendencia, hervería muy por debajo de 0 °C. En realidad hierve a 100 °C porque el oxígeno es muy electronegativo y pequeño: cada molécula forma puentes de hidrógeno con sus vecinas.
Consecuencias para la vida:
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El agua del lago Gatún y del mar es líquida a temperaturas ambiente: hay medio donde viven peces, manglares y corales.
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Absorbe mucho calor sin calentarse demasiado, lo que modera la temperatura de los ecosistemas.
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En las biomoléculas, los puentes de hidrógeno mantienen unidas las dos cadenas del ADN y dan forma a las proteínas.
Los hidruros del grupo 16 son $\text{H}2\text{O}$, $\text{H}2\text{S}$, $\text{H}2\text{Se}$ y $\text{H}2\text{Te}$. Los puntos de ebullición de los tres últimos…
Los hidruros del grupo 16 son $\text{H}_2\text{O}$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{H}_2\text{Se}$ y $\text{H}_2\text{Te}$. Los puntos de ebullición de los tres últimos aumentan al bajar en el grupo, pero el del agua es mucho mayor que el de todos ellos. Explica ambas tendencias identificando las fuerzas intermoleculares involucradas y argumenta por qué el agua rompe la tendencia. Menciona una consecuencia de esto para la vida, por ejemplo en el agua del lago Gatún.