17.- fuerzas intermoleculares · las fuerzas de van der waals son fuerzas que aparecen entre...

UNIDAD DIDÁCTICA 3: EL ENLACE QUÍMICO (2ª PARTE)

APARTADO 17 - FUERZAS INTERMOLECULARES

QUÍMICA. 2º BACHILLERATO. PROFESOR: CARLOS M. ARTEAGA

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QUÍMICA. 2º DE BACHILLERATO

PROFESOR: CARLOS MARTÍN ARTEAGA

UNIDAD DIDÁCTICA 3

EL ENLACE QUÍMICO

PARTE 2: EL ENLACE COVALENTE

17.- FUERZAS INTERMOLECULARES

ESTUDIA / APRENDE

Los dos tipos de fuerzas que pueden aparecer entre las moléculas de las sustancias

covalentes: fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno.

Los tres casos en los que se dan fuerzas de Van der Waals entre las moléculas: fuerzas dipolo

permanente – dipolo permanente, fuerzas dipolo instantáneo – dipolo inducido y fuerzas

dipolo permanente – dipolo inducido.

A distinguir entre fuerzas intramoleculares y fuerzas intermoleculares.

Cómo influyen las fuerzas intermoleculares en el estado de agregación de una sustancia.

En qué consisten y porqué se forman los dipolos temporales o instantáneos.

La especial importancia de los enlaces de hidrógeno en el estado de agregación de las

sustancias que los poseen y en concreto en el agua.

Acabamos de estudiar que las partículas características de las sustancias covalentes son las moléculas.

Por tanto, para que una sustancia covalente sea gas, líquida o sólida en condiciones normales va a depender de cómo sean las fuerzas de atracción que puedan existir entre dichas moléculas (FUERZAS INTERMOLECULARES)

Si la sustancia es gas significa que no existen fuerzas de atracción, o bien que éstas son muy pequeñas; si es líquida es debido a que la fuerzas de atracción tienen un valor mayor y si es sólida la magnitud de estas fuerzas se hace aún más grande.

Como hemos indicado en anteriores unidades didácticas, estas fuerzas de atracción tienen que ser fuerzas de tipo electrostático: es decir atracción entre cargas eléctricas de distinto signo. Para que este tipo de fuerzas exista entre las moléculas (fuerzas intermoleculares) es necesario que en cada molécula exista una zona en la que se acumula carga negativa y otra en la que, por tanto, se acumule carga positiva. Esto haría que la zona de un signo eléctrico de una molécula atraiga a la zona con signo distinto de otra molécula y así sucesivamente.

Se ha comprobado que en muchas ocasiones las moléculas de las sustancias covalentes se atraen entre sí lo que puede hacer que dicha sustancia se encuentre en estado líquido e incluso sólido. Existen dos tipos de fuerzas entre moléculas o FUERZAS INTERMOLECULARES: las fuerzas de Van der Waals y los enlaces de hidrógeno (también llamados “puentes de hidrógeno”).

FUERZAS DE VAN DER WAALS

Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas que aparecen entre moléculas, bien cuando las moléculas son polares (fuerzas dipolo permanente – dipolo permanente y fuerzas dipolo permanente – dipolo inducido) o cuando son apolares (fuerzas dipolo inducido – dipolo inducido o fuerzas de dispersión de London).




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FUERZAS DIPOLO PERMANENTE – DIPOLO PERMANENTE (FUERZAS DE KEESOM)

Cuando un compuesto covalente está formado por moléculas polares, los polos positivos de una molécula ejercen una atracción sobre los negativos de una molécula distinta y viceversa, es decir aparecen fuerzas de atracción eléctricas entre las moléculas (fuerzas de atracción dipolo-dipolo).

Esto explica la atracción que existe entre las moléculas de algunos compuestos covalentes que hace que estos compuestos sean sólidos o líquidos en condiciones normales de presión y temperatura. Cuando en estos compuestos se alcanza la temperatura de ebullición estas atracciones entre las moléculas son vencidas por la energía cinética que van adquiriendo las moléculas lo que explica que la sustancia se convierta en gas (recuerda que decir aumento de temperatura es lo mismo que decir aumento de la energía cinética de las partículas).

Las fuerzas de atracción entre las moléculas polares no son tan grandes como las fuerzas de atracción entre los iones de los compuestos iónicos, pero suficientes como para explicar muchísimos fenómenos y propiedades de estas sustancias.

No hay que confundir las fuerzas intermoleculares con las fuerzas intramoleculares debidas a los enlaces covalentes entre los átomos. Los enlaces covalentes son muchísimo más fuerte que las fuerzas de atracción entre moléculas (fuerzas intermoleculares), y cuando, mediante la temperatura, se consigue que se separen unas moléculas de otras y convertir una sustancia covalente líquida en gas los enlaces covalentes siguen

existiendo, es decir las moléculas no se rompen. Si, debido a la temperatura, se rompen enlaces covalentes, la sustancia dejaría de existir y los átomos separados formarían otros enlaces: se estaría produciendo una reacción química tal y como veremos en la siguiente unidad didáctica.

En la imagen vemos cómo las moléculas polares se atraen entre sí debido a las atracciones (en rojo) entre sus dipolos (fuerzas intermoleculares).

FUERZAS DIPOLO INSTANTÁNEO – DIPOLO INDUCIDO (FUERZAS DE DISPERSIÓN DE LONDON)

En algunas ocasiones en las moléculas apolares que poseen una gran cantidad de electrones, al moverse éstos, es fácil que en algún momento estén distribuidos de una forma irregular, es decir, que en una parte de la molécula haya un mayor número de electrones que en la otra. Esto ocurre sólo por unos instantes, pero lo suficiente para que se vayan formando dipolos que cambian constantemente de lugar, o sea, que estos dipolos de corta duración están constantemente apareciendo en la molécula localizados cada vez en lugares distintos según se vayan moviendo los electrones. A estos dipolos los llamamos DIPOLOS TEMPORALES o INSTANTÁNEOS. Estos dipolos actúan a su vez sobre las moléculas colindantes produciendo en éstas dipolos inducidos como se muestra en la figura. La intensidad de los dipolos es lo suficientemente apreciable como para que se produzcan atracciones entre las moléculas del compuesto.

Un ejemplo de la aparición o no de estos dipolos temporales apreciables debido al número de electrones que tenga la molécula lo encontramos en las moléculas de los halógenos.




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Así el flúor (F2) y el cloro (Cl2) que tienen pocos electrones en su molécula son gases debido a que no hay atracciones entre dichas moléculas. La molécula de bromo (Br2) tiene un mayor número de electrones lo que hace que aparezcan dipolos temporales y dipolos inducidos suficientemente apreciables que explica que el bromo sea líquido en condiciones normales. Aún mayor es el número de electrones que tiene la molécula de yodo (I2), los dipolos temporales e inducidos serán más fuertes y así el yodo se encuentra en estado sólido.

FUERZAS DIPOLO PERMANENTE – DIPOLO INDUCIDO (FUERZAS DE DEBYE)

A veces cuando en una mezcla hay moléculas polares y moléculas apolares en una mezcla pueden aparecer fuerzas intermoleculares debido a que las moléculas polares inducen dipolos en las moléculas apolares. A estas fuerzas dipolo permanente – dipolo inducido se las llama fuerzas de Debye. Esta interacción tiene su importancia en las disoluciones de sustancias polares en disolventes apolares.

En la figura observamos cómo una molécula polar (dipolo), al estar próxima a otra no polar induce en esta un dipolo transitorio, produciendo una fuerza de atracción intermolecular débil llamada dipolo – dipolo inducido.

Un ejemplo lo vemos en las fuerzas que aparecen entre las moléculas de agua y las de oxígeno que permite al oxígeno disolverse levemente en el agua: en la molécula de oxígeno aparece un dipolo inducido producido por la acción del dipolo permanente de la molécula de agua como vemos en la figura. Esto origina las fuerzas de atracción entre ambas moléculas.

ENLACE DE HIDRÓGENO

Además de las fuerzas de Van der Waals y de las fuerzas de dispersión de London existe un caso muy particular de atracción entre moléculas, es el llamado "ENLACE DE HIDRÓGENO” o “ENLACE POR PUENTE DE HIDRÓGENO":

Los enlaces de hidrógeno o puentes de hidrógeno se dan cuando el hidrógeno se une a un elemento fuertemente electronegativo y de pequeño tamaño como el flúor, el oxígeno o el nitrógeno. En estos casos el par de electrones del enlace es muy atraído por los átomos de flúor, oxígeno o nitrógeno debido a la diferencia de electronegatividad entre estos elementos y el hidrógeno, siendo la carga positiva sobre el hidrógeno bastante grande y la negativa sobre el otro átomo también, con lo que pueden acercarse mucho al átomo de hidrógeno aumentando así el momento dipolar y la fuerza de la atracción. Los puentes de hidrógeno son también, por tanto, fuerzas de atracción entre dipolos permanentes: fuerzas particularmente grandes que solo se dan entre un átomo de hidrógeno con uno de flúor, de oxígeno o de nitrógeno y que son las mayores de las fuerzas intermoleculares.

Un claro ejemplo de atracción entre moléculas por enlaces o puentes de hidrógeno lo podemos observar en las moléculas del agua. Estas atracciones hacen que ésta sea líquida a temperaturas habituales.

También existen enlaces de este tipo en compuestos orgánicos tales como alcoholes, fenoles, ácidos, aminas y amidas.

Hay ocasiones en que en grandes moléculas orgánicas los enlaces por puente de hidrógeno se forman incluso dentro de una misma molécula. Son los responsables de la estructura en hélice de las proteínas y de la unión de las dos cadenas del ADN formando la doble hélice característica.




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IMPORTANTE (¡OTRA VEZ!): Los enlaces covalentes son enlaces en general muy fuertes; si se rompen estos enlaces se producen reacciones químicas: se formarían nuevas sustancias pues las moléculas características de las sustancias covalentes habrían quedado rotas. Sin embargo las fuerzas intermoleculares son fuerzas débiles, lo que permite con cierta facilidad (en unos casos más que en otros) separar unas moléculas de otras.

ACTIVIDADES RESUELTAS:

Teniendo en cuenta los valores de la siguiente tabla

Masa molecular Tª de ebullición (0C) Energía de enlace (kcal/mol)

N2 28 –196 N–N: 225

CCl4 154 77 C–Cl:80

¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son ciertas?

a) Las fuerzas de dispersión de London entre las moléculas de N2 son muy débiles.

b) Las fuerzas intermoleculares en el CCI4 son del tipo dipolo-dipolo y por tanto más fuertes que las que actúan en el N2.

c) Las fuerzas de dispersión de London crecen con la masa molecular.

d) Las fuerzas intermoleculares no están relacionadas con las energías de enlace.

a) Cierto. Debido a ello, su temperatura de ebullición es muy baja (es un gas a temperatura ambiente).

b) Falso. La molécula CCI4 no es polar porque el carbono se encuentra en el centro de un tetraedro y los cuatro momentos dipolares se anulan. Las fuerzas que se producen entre las moléculas de tetracloruro de carbono para tener ese punto de ebullición tan alto en comparación con el nitrógeno tienen que ser, por tanto, fuerzas dipolo instantáneo – dipolo inducido (fuerzas de dispersión de London).

c) Cierto. Por ejemplo, el tetracloruro de carbono tiene mayor masa molecular que el nitrógeno y su temperatura de ebullición es más alta. De hecho es líquido a temperatura ambiente mientras que el nitrógeno es gaseoso.

d) Cierto. Su relación es con los momentos dipolares y la masa molecular. Los enlaces son fuerzas intramoleculares.




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¿En cuáles de las siguientes sustancias existen uniones por enlaces de hidrógeno?

a) Amoniaco b) Sílice c) Ácido fluorhídrico d) Hidrógeno

Para que exista enlace de hidrógeno entre moléculas, en cada molécula el hidrógeno debe estar unido a un átomo pequeño de tamaño y muy electronegativo. Esto se cumple en los casos a) ya que es el nitrógeno el elemento que está unido al hidrógeno y c) pues el flúor es el elemento que está unido al hidrógeno.

¿Por qué el agua es un líquido en condiciones normales y el sulfuro de hidrógeno es un gas?

En el agua se dan las dos condiciones para que se formen enlaces de hidrógeno entre sus moléculas: la diferencia de electronegatividad entre el H y el O es lo suficientemente grande y el O es un átomo pequeño. Se forman, por tanto, enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua, que son fuerzas intermoleculares especialmente fuertes que hacen que la temperatura de ebullición del agua sea anormalmente alta. En el sulfuro de hidrógeno no se producen los puentes de hidrógeno y las fuerzas intermoleculares son más pequeñas lo que hace que su temperatura de ebullición sea mucho más baja.

¿Por qué el punto de fusión del amoniaco es mayor que el del arsano, que tiene una mayor masa molecular?

Porque en el NH3 existen enlaces de hidrógeno entre sus moléculas y, aunque la masa molecular del AsH3 es mayor que la del NH3, las fuerzas de Van der Waals del AsH3 son más débiles que los enlaces de hidrógeno.

Explica la razón de los siguientes hechos:

a) La temperatura de fusión del I2 es mayor que la del F2.

b) La temperatura de ebullición del HF es más elevada que la del F2.

c) El CO tiene la temperatura de ebullición más alta que la del N2, aunque ambos tienen la misma masa molecular.

a) La temperatura de fusión del I2 es + 113ºC y la del F2 es –223ºC. Como en ambos casos se trata de moléculas díatómicas apolares con enlaces covalentes sencillos, la diferencia entre ambas temperaturas de fusión se debe a las masas moleculares: 254 u para el I2 y 38 u y para el F2. Esto hace que en el yodo aparezcan dipolos temporales (pequeño tamaño, elevada masa molecular y, por tanto, también muchos electrones) que no aparecen en una molécula pequeña como es el caso del flúor. Es un caso típico de fuerzas de dispersión de London.

b) La temperatura de ebullición del F2 es –187ºC y la del HF +19ºC y aunque la masa molecular del HF es menor que la del F2 (20 u frente a 38 u), la diferencia de temperaturas es porque el HF es un compuesto covalente polar, que forma enlaces por puentes de hidrógeno, y el F2 no.

c) La masa molecular del CO es 28 u y su temperatura de ebullición –192ºC, mientras que la masa molecular del N2 es también 28 u y su temperatura de ebullición –196ºC. Esta pequeña diferencia de temperaturas se debe únicamente a que el CO es covalente polar, mientras que el N2 es covalente apolar y en el CO las fuerzas intermoleculares (entre dipolos permanentes) son mayores que en el N2 (fuerzas de dispersión de London de valor muy pequeño también)

La molécula de monóxido de carbono (CO) decimos que es polar ¿Por qué? Sin embargo el monóxido de carbono es gas a temperatura ambiente ¿Por qué crees que es así?

La molécula de CO está formada únicamente por dos átomos, uno de carbono y otro de oxígeno. Teniendo en cuenta que el oxígeno es más electronegativo que el carbono, en la molécula se forma una asimétrica distribución de los electrones compartidos, estando estos más cercanos al oxígeno que al carbono formando así un dipolo. Sin embargo la fuerza de atracción entre las moléculas que supone la existencia de un dipolo no es en este caso suficientemente grande como para formar un líquido a temperatura ambiente, por lo que las moléculas se mueven con libertad siendo el monóxido de carbono un gas.




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¿Por qué es apolar la molécula de bromo (Br2)? ¿Por qué es líquido el bromo siendo su molécula apolar?

La molécula de bromo está formada por dos átomos exactamente iguales (por tanto misma electronegatividad) por lo que es una molécula apolar.

Sin embargo en la molécula de bromo hay bastantes electrones, los cuales se están moviendo de forma continua en sus orbitales lo que hace que en algún momento estén distribuidos de una forma irregular, es decir, que en una parte de la molécula haya un mayor número de electrones que en la otra. Esto ocurre sólo por unos instantes, pero lo suficiente para que se vayan formando dipolos que cambian constantemente de lugar, o sea, que estos dipolos de corta duración están constantemente apareciendo en la molécula localizados cada vez en lugares distintos según se vayan moviendo los electrones. A estos dipolos los llamamos DIPOLOS TEMPORALES o INSTANTÁNEOS y actúan a su vez sobre las moléculas colindantes produciendo en éstas dipolos inducidos. Estos dipolos son lo suficientemente apreciables como para que se produzcan atracciones entre las moléculas del compuesto. A estas fuerzas de atracción dipolo instantáneo – dipolo inducido se las llama fuerzas de dispersión de London y entre las moléculas de bromo son lo suficientemente fuertes como para que el bromo sea líquido a temperatura ambiente.

CONTESTA Y REPASA

¿Qué tipo de fuerzas son las fuerzas de Van der Waals.

¿Por qué las fuerzas entre moléculas en las que existen enlaces covalentes del hidrógeno con el oxígeno, el nitrógeno o el flúor son mayores? ¿Qué consecuencias tiene esto para el estado de agregación de estos compuestos?

¿Por qué el cloro es gas, el bromo líquido y el yodo sólido en condiciones normales?

Explica por qué el agua es líquida a temperatura ambiente.

El tetracloruro de carbono es un compuesto químico sintético que, en condiciones normales, se encuentra en estado líquido. Explica qué fuerzas se producen entre sus moléculas para encontrarse en ese estado de agregación.

El yodo es bastante soluble en cloroformo (Cl3CH). Explica que tipo de fuerzas existen entre sus moléculas para que exista esta solubilidad.

Indica si la siguiente afirmación es verdadera o falsa y explica tu respuesta: “El etanol se mezcla con el agua en cualquier proporción debido a que se establecen enlaces de hidrógeno entre las moléculas de ambas sustancias al mezclarlas”.

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