FUERZAS INTERMOLECULARES
En este apartado se incluyen los diversos tipos de interacciones que se establecen entre las moléculas. Estas fuerzas son mucho menos intensas que los enlaces covalentes que unen los átomos dentro de la propia molécula.
Por ejemplo, para romper la unión entre moléculas de agua hay que emplear aproximadamente 41 kJ/mol. Sin embargo, para romper el enlace O-H dentro de la molécula de agua son necesarios 930 kJ/mol
La existencia de fases condensadas (líquidos y sólidos) demuestra la existencia de este tipo de fuerzas
Las fuerzas intermoleculares se suelen clasificar en dos grandes grupos: Fuerzas de Van der Waals y Puentes de Hidrógeno.
Entre las Fuerzas de Van der Waals nos referiremos a los dos casos más importantes: Fuerzas entre dipolos inducidos (conocidas como Fuerzas de dispersión de London) y Fuerzas entre dipolos permanentes.
INDICE
- Teorías acerca del enlace químico
- Estudio energético de la formación del enlace iónico. Energía reticular
-Teoría del enlace-valencia y Hibridación
- Energía de disociación de enlace
FUERZAS ENTRE DIPOLOS INSTANTÁNEOS (DISPERSIÓN DE LONDON)
La nube electrónica de la molécula no permanece estática. Por el contrario, se desplaza continuamente, creando zonas de alta y baja densidad electrónica en distintos lugares de la molécula. Este fenómeno crea dipolos instantáneos en las moléculas. Como consecuencia, se produce una atracción neta entre ellas.
Este tipo de fuerza está presente entre todas las moléculas, independientemente de su polaridad.También explican la atracción entre los átomos de los gases nobles.
FUERZAS ENTRE DIPOLOS PERMANENTES
Es el tipo de fuerza que se establece entre moléculas polares. La zona de alta densidad electrónica de una molécula atrae la zona de baja densidad electrónica de otra. Es el caso, por ejemplo, del cloruro de hidrógeno HCl.
La intensidad de las Fuerzas de Van der Waals depende de tres factores:
1.- Tamaño. Cuanto mayor sea el tamaño de las moléculas más intensas serán las FVW. La razón está en la polarizabilidad, es decir, en la facilidad para que los electrones de la nube que rodea la molécula se desplacen y creen dipolos.Cuanto más polarizable sea la molécula, más intensa es la fuerza que se establece, por ello, a temperatura ambiente F2 y Cl2 son gases, Br2 es líquido y I2 es sólido.
Además, cuanto mayor sea el tamaño de la molécula más superficie de contacto existirá entre ellas y, en consecuencia, mayor intensidad en las FVW. Por ejemplo, la temperatura de ebullición de los alcanos a la presión de 1 atm aumenta con la masa molar
2.- Forma. Las moléculas lineales tienen más superficie de contacto entre ellas que las moléculas esféricas que, teóricamente, sólo contactan en un solo punto. Cuanto mayor sea la superficie de contacto más intensa será la FVW.
Las moléculas de n-pentano tienen más superficie de contacto entre ellas que las de 2,2-dimetilpropano. Este hecho afecta la temperatura de ebullición de ambas sustancias que, siendo similares en tamaño (72 g/mol), una hierve a 36,1 ºC y la otra a 9,5 ºC.
3.- Polaridad. Cuanto mayor sea la polaridad de la molécula más separación de cargas existirá en ella y, por tanto, más intensas serán las FVW. Por ejemplo, etileno y formaldehido tienen tamaños (28 g/mol y 30 g/mol) y formas (ambas son moléculas planas) similares, sin embargo, sus puntos de ebullición son muy diferentes: -104 ºC y -21 ºC, respectivamente. Este hecho es consecuencia de la polaridad de ambas moléculas: la de etileno es apolar, la de formaldehido 2,33 D. Las moléculas de formaldehido se atraen con más fuerza que las de etileno.
PUENTES DE HIDRÓGENO
Este es un caso extremo de las fuerzas entre moléculas polares Se produce cuando las moléculas contienen enlaces F-H, O-H o N-H. En estos casos, debido a la elevada electronegatividad del F, O, N y el pequeño tamaño del átomo de H se produce una fuerte atracción entre el H (muy polarizado) de una molécula y un par de electrones no compartido del heteroátomo de otra molécula.
Los puentes de hidrógeno son los resposables de multitud de fenómenos importantes como, por ejemplo, la existencia de agua líquida en la superficie de la Tierra. El siguiente gráfico muestra los anómalos puntos de ebullición de NH3, HF y H2O. El agua, si siguiera la tendencia de los hidruros de los elementos de su grupo del sistema periódico, debería hervir a una temperatura próxima a -100 ºC. Teniendo en cuenta que la temperatura media en la Tierra es de 15 ºC, es evidente que, si así fuera, el agua sería un gas y no un líquido en la superficie de nuestro plantea. Por suerte, los puentes de hidrógeno unen fuertemente las moléculas de agua y elevan su temperatura de ebullición hasta 100 ºC, consiguiendo que sea líquida en las condiciones habituales de la Tierra.
Los enlaces N-H y O-H están presentes en las aminas y los alcoholes, sustancias muy importantes en Química Orgánica y Biología. Por ello no debería extrañarnos que los puentes de hidrógeno afectaran a cuestiones muy importantes para la vida. Por ejemplo, los puentes de hidrógeno unen las bases presentes en el ADN.
EFECTOS DE LAS FUERZAS INTERMOLECULARES SOBRE LAS PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS
Las fuerzas intermoleculares controlan algunas de las propiedades de las sustancias moleculares, por ejemplo, el punto de ebullición y la solubilidad
EFECTO SOBRE EL PUNTO DE EBULLICIÓN
Cuanto más intensas sean las fuerzas intermoleculares más difícil será separar sus moléculas y, por tanto, más alto será su punto de ebullición.
¿Por qué el metano (CH4) es un gas y el metanol (CH3OH) es un líquido a temperatura ambiente?
Además de un tamaño mayor del metanol con respecto al metano, la razón principal hay que buscarla en el tipo de fuerzas que unen las moléculas de ambas sustancias:
- Metano: (apolar) Sus moléculas solo están unidas por débiles Fuerzas de Dispersión de London. Es esperable que hierva a temperaturas muy bajas (-161 ºC) y sea gas a temperatura ambiente.
- Metanol: Sus moléculas son polares y tienen enlaces O-H. Presentará Fuerzas de Dispersión de London, Fuerzas dipolo-dipolo y, además, Puentes de Hidrógeno. Es esperable que hierva a una temperatura mucho mayor que el metano (65 ºC).
¿Qué sustancia hierve a mayor temperatura el etanol o el dimetiléter? Son sustancias isoméricas (46 g/mol)
¿Qué tipo de fuerza intermolecular existe en cada caso?
- Etanol: Sus moléculas son polares y presenta enlace O-H. Las fuerzas intermoleculares serán intensas, incluyendo: Fuerzas de Dispersión de London, Fuerzas dipolo-dipolo y Puentes de Hidrógeno. Hierve a 78 ºC.
- Dimetiléter: Sus moléculas son polares pero no presenta enlace O-H. No presentará Puentes de Hidrógeno. En consecuencia hervirá a menor temperatura que el etanol. Hierve a -24 ºC.
EFECTO SOBRE LA SOLUBILIDAD
Cuando una sustancia disuelve a otra, las moléculas de ambas interaccionan, por tanto, cuanto más parecidas sean las fuerzas intermoleculares entre ellas más fácil será el proceso de disolución.
PRINCIPIO: SEMEJANTE DISUELVE A SEMEJANTE
Una sustancia apolar será disuelta por un disolvente apolar. Una sustancia polar será disuelta por un disolvente polar.
Por ejemplo, un disolvente apolar como el hexano disolverá sustancias apolares como las grasas. Sin embargo, un disolvente polar como el agua disolverá sustancias polares como el cloruro de sodio.
¿Qué sustancia es más soluble en agua el etano o el etanol?
Etano: Sustancia apolar. Sólo presenta Fuerzas de dispersión de London entre sus moléculas. No será soluble en agua
Etanol: Sustancia polar con enlaces O-H. Presenta Fuerzas de Dispersión de London, Fuerzas Dipolo-Dipolo y Puentes de Hidrógeno. Las mismas fuerzas que están presentes en el agua, por tanto, será extremadamente soluble en este disolvente.
¿Qué hacemos cuando tenemos la mala suerte de que una gota de aceite nos caiga sobre la camisa?
El primer impulso es frotar con agua. El resultado es negativo. La mancha continúa allí. La razón es sencilla: el agua (polar) no puede disolver sustancias apolares como el aceite. Sin embargo, si usamos un producto quitagrasas basado en hidrocarburos (por ejemplo hexano) la mancha desaparece con facilidad. La razón es sencilla: el hexano (apolar) ha disuelto el aceite que también es apolar.
Lavar la ropa con jabón. Una manera de solubilizar las grasas en agua.
Las moléculas de jabón son largas y tienen un extremo hidrófilo (soluble en agua) y otro lipófilo (soluble en grasas). Cuando las moléculas de jabón se encuentran una gota de grasa hunden en ella su extremo lipófilo, quedando el hidrófilo hacia afuera, es decir en contacto con el agua. Se forma una micela. Una gota de grasa solubilizada en agua.
