Seminario N°5 - Fuerzas Intermoleculares - Problemas Resueltos

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Seminario N° 5 - FUERZAS INTERMOLECULARES

1.- Explique la diferencia entre intramoleculares (uniones químicas).

fuerzas

intermoleculares

y

fuerzas

Fuerzas Intramoleculares: son las responsables de mantener unidos a los átomos en una molécula. Corresponde a los enlaces químicos y son fuerzas de intensidad importante; determinan las propiedades químicas de cualquier sustancia. Fuerzas intermoleculares: son de origen electrostático y ocurren entre moléculas, no implican la formación de enlaces y son de menor intensidad que las intramoleculares. Determinan las propiedades físicas de una sustancia como por ejemplo el punto de ebullición, de fusión, densidad, solubilidad, etc.

2.- ¿Qué relación existe entre las fuerzas intermoleculares y las propiedades macroscópicas de las sustancias? (punto de ebullición, punto de fusión, estado de agregación, solubilidad). Las fuerzas intermoleculares determinan las propiedades macroscópicas de las sustancias como la densidad, el punto de ebullición, punto de fusión, el estado de agregación, la solubilidad, la tensión superficial, etc. Algunas relaciones son: • A mayor intensidad de las Fuerzas intermoleculares en una sustancia mayor será su Punto de Fusión y de Ebullición. 1

• Los cambios de estado (sólido → líquido → gas) se producen si ocurre un debilitamiento de las fuerzas que mantienen unidad a las moléculas. 3.- Defina el momento dipolar. Explique la diferencia entre un momento dipolar temporal o transitorio (instantáneo e inducido) y un momento dipolar permanente. El momento dipolar es una magnitud vectorial que se encuentra orientada hacia la carga negativa y mide la intensidad del dipolo (depende de la intensidad de la carga y de la distancia entre los átomos). Es una medida de la polaridad del enlace. Se expresa en Debye (D) = 3.34x10-30 Coulomb x m.

Donde Q = 1.60 x 10-19 Coulomb y r es la distancia entre cargas (1 Å= 10-10 m). Momento dipolar temporal: Es un instante en que los átomos pueden tener un momento de dipolo generado por las posiciones específicas de los electrones. También se le denomina dipolo instantáneo porque dura una fracción de tiempo determinada. Momento dipolar permanente: Se presentan entre dipolos permanentes. Ocurre entre moléculas que tienen un momento dipolar intrínseco, habitualmente se relaciona con una diferencia de electronegatividad. Ej: Fluoruro de hidrógeno: el F es más electronegativo que el H porque su núcleo, con 9 cargas positivas, atrae a los e-compartidos con el H con más fuerza que el núcleo del H, con una sola carga positiva, los e compartidos por covalencia estarán más próximos al F que al H y la molécula forma un dipolo permanente.

4.- Explique por qué algunas moléculas con enlaces covalente polar no tienen momento dipolar permanente. Compare las moléculas de H2O y CO2. El momento dipolar de una molécula que se encuentre formada por 3 o más átomos (poliatómica) depende de la polaridad del enlace y de la geometría molecular. El enlace entre 2 átomos de diferente electronegatividad genera un momento dipolar, el cual es un vector que se anula si la molécula es simétrica.

El CO2 presenta enlaces covalentes polares, pero es una molécula no polar debido a que presenta una geometría lineal, los dos vectores generados por los enlaces son de

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igual magnitud y opuestos, por lo tanto, el momento dipolar resultante es cero.

Mientras que el H2O presenta enlaces covalentes polares y una geometría angular, siendo es una molécula polar (Momento dipolar permanente).

5.- ¿Qué entiende por polarizabilidad? ¿De qué depende? La polarizabilidad es la facilidad con que la distribución electrónica de un átomo o molécula, puede distorsionarse de su forma normal por acción de un campo eléctrico externo, que puede ser provocado por la presencia de un ion o un dipolo. Esta propiedad se incrementa cuando hay presencia de un gran número de electrones, la nube electrónica es muy difusa. Las moléculas y átomos de mayor peso molecular son más polarizadles.

6.- ¿Qué tipo de fuerzas intermoleculares conoce? Descríbalas y ejemplifique. Tipos de Fuerza Intermoleculares

En sustancias puras y mezclas de sustancias

En mezclas de sustancias a. Ion-Dipolo Permanente

a. Puentes de Hidrógeno

b. Ion-Dipolo Inducido c. Dipolo-Dipolo Inducido

Fuerzas de Van der Waals

Tipo de Fuerzas Intermoleculares

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b. Dipolo-Dipolo c. Fuerzas de London

Ion- dipolo permanente: Se dan iones (cationes o aniones) y moléculas polares. Dependen de la carga del ion y el momento dipolar de la molécula. NaCl se disuelve en agua por la atracción que existe entre los iones Na+ y Cl- y los polos con carga opuesta de la molécula de agua. Esta solvatación de los iones es capaz de vencer las fuerzas que los mantienen juntos en el estado sólido. Ion- dipolo inducido: Se da entre un ión y una molécula apolar. La proximidad del ión provoca una distorsión en la nube electrónica de la molécula apolar que la convierte de modo momentáneo en una molécula polarizada. En ese momento se produce una atracción entre el ión y la molécula polarizada. Ion-dipolo permanente ≥ ion-dipolo inducido dipolo-dipolo inducido: Moléculas con dipolo permanente (µ≠0) pueden alterar la distribución electrónica de un átomo o molécula no polar resultando en un dipolo inducido. dipolo-dipolo ≥ dipolo-dipolo inducido Dipolo-Dipolo: Ocurre cuando dos moléculas polares (µ≠0) se aproximan se produce una atracción entre el polo positivo de una de ellas y el negativo de la otra. Esta fuerza de atracción entre dos dipolos es tanto más intensa cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los átomos enlazados. Puentes de hidrógeno: constituyen un caso especial de interacción dipolo-dipolo. Se producen cuando un átomo de H forma un enlace covalentemente polar con un elemento muy electronegativo y con un par de electrones libres cercano del elemento electronegativo. Estas condiciones se cumplen en el caso de los átomos de F, O y N. Son más fuertes que las interacciones dipolo-dipolo y de dispersión.

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Dispersión o de London: son fuerzas atractivas débiles que se establecen fundamentalmente entre sustancias no polares, aunque también están presentes en las sustancias polares. Un dipolo instantáneo modifica momentáneamente la nube electrónica de la molécula cercana, originándose una fuerza débil de atracción entre las dos. Dependen del peso molecular y la estructura.

7.- ¿Qué tipo de interacción es la que permite que gases como el He o el N 2 se licuen? Descríbala. Las fuerzas de London son las que permiten que dichos gases se licuen. Ocurre entre átomos y/o moléculas no polares. Un dipolo instantáneo modifica momentáneamente la densidad electrónica de una especie cercana. Son de muy corto alcance (Ver tabla de Fuerzas Intermoleculares). 8.- ¿Qué tipo de interacción tiene lugar cuando se disuelve una sal en agua? ¿Y cuándo se disuelve oxígeno en agua?

Cuando se disuelve una sal en agua se presentan interacciones ion-dipolo permanente, estas se dan entre los iones que forman la sal y la molécula polar del agua.

La interacción que permite que el oxigeno se disuelva en el agua es la Fuerza dipolo permanente (H2O) – dipolo inducido (O2).

La densidad de carga positiva (δ+) (lado de los hidrógenos) atraerá los electrones de la nube electrónica del O2.

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9.-Los primeros 3 elementos del grupo VIA (O, S y Se) se unen con el hidrógeno para formar compuestos moleculares con similar geometría molecular: H2O, H2S, H2Se. Los puntos de ebullición de dichos compuestos son: 100, -60, y -41,4ºC respectivamente. a) ¿Por qué el punto de ebullición del H2S es menor que el del H2Se? Justifique. Normalmente, los puntos de ebullición de una serie de compuestos similares que contienen elementos del mismo grupo periódico se incrementan con la masa molar. Este incremento en el punto de ebullición se debe al aumento en las fuerzas de dispersión de moléculas con más electrones. Los compuestos con hidrógeno de los elementos S y Se siguen esta tendencia. El compuesto más ligero, H2S, tiene el punto de ebullición más bajo, y el compuesto más pesado, H2Se, tiene el punto de ebullición más alto. b) Justifique la aparente anomalía: “El agua tiene una masa molar de sólo 18 g/mol pero su punto de ebullición es mucho mayor que el del sulfuro de hidrógeno (H2S) y el del seleniuro de hidrógeno (H2Se)” Esta observación se explica porque existen atracciones intermoleculares más fuertes en el caso del H2O, en comparación con otras moléculas del mismo grupo. Este tipo particularmente fuerte de atracción intermolecular se denomina puente (o enlace) de hidrógeno, el cual es un tipo especial de interacción dipolo-dipolo entre el átomo de hidrógeno del enlace polar OH y el O (átomo electronegativo). Cada molécula de H2O forma parte en cuatro puentes de hidrógeno intermoleculares. Por tanto, las fuerzas que mantienen unidas a las moléculas de H2O son fuertes y se debe entregar más energía para vencer estas fuerzas de atracción entre las moléculas para que pasen a fase vapor. 10.- En cada uno de los siguientes pares determine qué sustancia tiene mayor punto de ebullición: a) CO2 o H2O; b) HCl o NaCl; c) Cl2 o Br2. Justifique su respuesta a) CO2 o H2O: El agua posee mayor PE dado que presenta, como principal fuerza intermolecular, enlaces de puente de hidrógeno, mientras que el CO2 (molécula no polar) sólo posee fuerzas de dispersión (London). b) HCl o NaCl: EL NaCl (compuesto iónico) posee mayor PE dado que posee fuerzas de atracción electroestáticas, mientras que el HCl (molécula polar) posee interacciones dipolo-dipolo como fuerza intermolecular dominante.

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c) Cl2 o Br2: El Br2 posee mayor PE dado que tiene una mayor MMR. En ambos casos la única fuerza intermolecular presente son de Dispersión o London, ambas son moléculas no polares. 11.- Dadas las siguientes sustancias: HCl; Cl2; CO2; NH3, Ar. a) Indique la fuerza que predomina en cada una de ellas y cuál sería el estado de agregación probable a temperatura y presión ambiente (25°C y 1 atm). • HCl: Fuerza que predomina: Dipolo-dipolo. Estado de Agregación: Líquido - Gas • Cl2: Fuerza que predomina: London. Estado de Agregación: Gas. • CO2: Fuerza que predomina: London. Estado de Agregación: Gas. • NH3: Fuerza que predomina: Puente de Hidrógeno. Estado de Agregación: Líquido - Gas • Ar: Fuerza que predomina: London. Estado de Agregación: Gas. b) Ordénelas según su punto de fusión y ebullición decreciente. -PF --------------------------------------→+PF Ar – CO2 – Cl2 – HCl – NH3 12.- En los siguientes pares de especies indique el tipo de fuerza presente en la mezcla: a) NaCl y H2O; b) CH4 y H2O; c) O2 y CO2; d) NaCl y CH4; e) H2O y MgCl2; f) Cl2 y O2 g) H2O y NH3 a) NaCl y H2O; Ion (Na+, Cl-) dipolo (H2O). b) CH4 y H2O; Dipolo (H2O) dipolo inducido (CH4). c) O2 y CO2: London d) NaCl y CH4; Ion ( Na+, Cl-) dipolo inducido (CH4) e) H2O y MgCl2; Ion (Mg+2, Cl-) dipolo (H2O) f) Cl2 y O2: London g) H2O y NH3: Dipolo-dipolo Ejercicios Adicionales 1.-Indique cuáles de las siguientes sustancias pueden presentar puentes de hidrógeno entre sus moléculas: PH3, H2, CO2, HNO3, NH3, NF3. Justifique su respuesta. El HNO3, y el NH3 son las sustancias que pueden presentar puentes de hidrógeno. Este tipo de fuerza se produce entre un átomo de H de un enlace covalente polar y un par de electrones no compartido de un átomo muy electronegativo que pueden ser el N, O y F (en este caso el O y el N). 7

2.- Dadas las siguientes sustancias: HCl; Cl2; H2O; F2; CH4; NH3; CO2; H2S; Ar; Xe; HF. a) Indique las fuerzas presentes en cada una de ellas y cuál sería el estado de agregación probable a temperatura y presión ambiente. • • • • • • • • • • •

HCl: Fuerzas dipolo-dipolo y de dispersión. Líquido o gas (es una molécula polar). Cl2: Fuerzas de dispersión (London). Gas (es una molécula No polar). H2O: Puentes de hidrógeno, dipolo-dipolo y dispersión. Líquido (es una molécula polar). F2: London. Gas (es una molécula No polar). CH4: London. Gas (es una molécula No polar). NH3: Puente de hidrógeno, dipolo-dipolo, dispersión. Líquido o gas (es una molécula polar). CO2: London. Gas (es una molécula No polar). H2S: Fuerzas dipolo-dipolo y de dispersión. Líquido o gas (es una molécula polar). Ar: London. Gas (es una molécula No polar). Xe: London. Gas (es una molécula No polar). HF: Puentes de hidrógeno, dipolo-dipolo y de dispersión. Líquido o gas (es una molécula polar).

b) Ordénelas según su punto de fusión decreciente. +PF --------------------------------------------------------------------------------------→ -PF H2O - NH3 – HF – HCl - H2S – Xe - Cl2 - CO2 – Ar - F2 - CH4 3.- Dados las siguientes pares de especies, indique las fuerzas presentes en la mezcla: a) CaCl2 y H2O b) H2O y HF c) CO2 y H2O d) I2 y Br-

e) H2O y Cl-

f) HBr y HCl

a) CaCl2 y H2O: Ion (Ca+2, Cl-) – Dipolo (H2O). b) H2O y HF: Dipolo (H2O) – Dipolo (HF). c) CO2 y H2O: Dipolo (H2O) – Dipolo Inducido (CO2). d) I2 y Br-: Ion (Br-) – Dipolo inducido (I2). e) H2O y Cl-: Ion (Cl-) – Dipolo (H2O). f) HBr y HCl: Dipolo (HBr) – Dipolo (HCl). 4.-Complete el siguiente cuadro, teniendo en cuenta que: - Na, H y Li pertenecen al Grupo IA - F, Br y Cl pertenecen al Grupo VIIA - Cu es un metal de transición - O pertenece al Grupo VIA, N pertenece al Grupo VA y C pertenece al Grupo IVA

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Tipo de

¿Será sólido a temperatura ambiente?

¿En qué estado de agregación conduce corriente eléctrica?

Sustancia

enlace químico

Fuerza intermolecular predominante

Cu

Metálico

Metálicas

Si

Sólido

Br2

Covalente no polar

London

No

No conduce

H2O

Covalente polar

Dipolo-dipolo

No

No conduce

Na2CO3

Iónico

Electroestáticas

Si

Líquido

HF

Covalente polar

Dipolo-dipolo

No

No conduce

N2

Covalente no polar

London

No

No conduce

LiCl

Iónico

Electroestáticas

si

Líquido

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