Química · Unidad 6 — Enlace químico
Fuerzas intermoleculares y propiedades físicas
Acá se cierra el recorrido de la unidad: la estructura de Lewis dio la geometría, la geometría dio la polaridad, y la polaridad decide con qué fuerza se atraen las moléculas entre sí. Eso es lo que se mide como punto de fusión, punto de ebullición y solubilidad.
La explicación
Qué se rompe cuando algo hierve
Hervir agua no rompe ninguna molécula de agua: el vapor sigue siendo H₂O. Lo que se vence es la atracción entre moléculas. Por eso el punto de ebullición no mide la fuerza del enlace covalente, sino la de las fuerzas intermoleculares, que son muchísimo más débiles.
Esa distinción es la que ordena todo el tema. Un enlace covalente O–H ronda los 460 kJ/mol; un puente de hidrógeno entre dos aguas, unos 20. Dos órdenes de magnitud de diferencia.
Las tres fuerzas, de la más débil a la más fuerte
- Dispersión de London. El movimiento de los electrones genera, por instantes, un dipolo momentáneo, que induce otro en la molécula vecina. Es débil pero la tienen todas las sustancias, sin excepción, incluidas las apolares. Crece con el tamaño y el número de electrones: cuanto más grande la molécula, más deformable es su nube y más fuerte la dispersión.
- Dipolo–dipolo. Entre moléculas polares: el extremo δ+ de una se orienta hacia el δ− de otra. Se suma a la dispersión, no la reemplaza.
- Puente de hidrógeno. Es un caso extremo de dipolo–dipolo, y el más fuerte de los tres. Aparece sólo cuando hay un H unido directamente a N, O o F, y del otro lado un par libre de N, O o F.
La condición del puente de hidrógeno, escrita en serio
Es la regla que más se aplica mal, así que conviene decirla sin atajos: no alcanza con que la molécula tenga hidrógeno, ni con que tenga oxígeno. Hace falta el enlace H–N, H–O o H–F.
CH₃–CH₂–O–H tiene un H unido al O → sí forma puentes
CH₃F tiene H y tiene F → no, porque los H están unidos al C
Por qué esos tres y no otros: N, O y F son los más electronegativos y a la vez chiquitos. El hidrógeno unido a ellos queda tan desnudo de electrones que expone su núcleo, y ese protón casi pelado se acerca muchísimo al par libre del vecino. Con el cloro, que es igual de electronegativo que el nitrógeno pero mucho más grande, la densidad de carga se diluye y el efecto no aparece.
Cómo se compara el punto de ebullición de dos sustancias
2. Si ninguna o las dos, ¿alguna es polar? La polar tiene además dipolo–dipolo.
3. Si están empatadas ahí, gana la de mayor masa molar, por tener más electrones y más dispersión.
4. A igual masa, gana la más alargada: más superficie de contacto es más dispersión.
El orden de los pasos importa. Aplicar el 3 antes que el 1 es lo que hace fallar el caso más preguntado del tema.
Los dos casos que hay que tener de memoria
etanol y dimetiléter, los dos con M = 46,0: 78 °C contra −24 °C
En el primero la sustancia más liviana hierve 160 °C más arriba. En el segundo las masas molares son idénticas, así que la masa no explica absolutamente nada. En los dos, la única diferencia es el puente de hidrógeno.
Solubilidad: lo semejante disuelve a lo semejante
Para que algo se disuelva, las atracciones nuevas soluto–solvente tienen que compensar las que se rompen. Eso sólo ocurre si las dos sustancias juegan el mismo juego:
- Solutos polares y iónicos se disuelven en solventes polares, como el agua. Los iones de una sal quedan rodeados por moléculas de agua orientadas con el polo adecuado hacia cada carga.
- Solutos apolares se disuelven en solventes apolares, como el hexano. El I₂ se disuelve en hexano y casi nada en agua.
- El aceite no se mezcla con agua porque las moléculas de agua prefieren muchísimo estar unidas entre sí por puentes de hidrógeno que tener que acomodar una cadena apolar en el medio.
Y con esto la unidad cierra sobre sí misma: la sal se disuelve en agua porque el agua es polar; el agua es polar porque es angular; es angular porque el oxígeno tiene dos pares libres; y esos dos pares libres aparecieron al contar los 8 electrones de valencia de la estructura de Lewis.
El agua hierve a 100 °C y el metano a −161 °C, aunque las dos moléculas tienen masas molares parecidas (18,0 y 16,0 g/mol). Explicá la diferencia recorriendo toda la cadena: estructura de Lewis, geometría, polaridad y fuerzas intermoleculares.
1. La estructura de Lewis. Las dos tienen 8 electrones de valencia, o sea 4 pares:
CH₄: 4 + 4 × 1 = 8 e⁻ → 4 pares enlazantes y 0 libres
Mismo total, distinto reparto. Toda la diferencia que sigue nace acá.
2. La geometría. Las dos tienen cuatro regiones alrededor del central, pero:
CH₄: 4 regiones, 0 libres → tetraédrica, 109,5°
3. La polaridad. Con EN(H) = 2,1 · EN(C) = 2,5 · EN(O) = 3,5:
En el metano, además, la simetría tetraédrica cancela lo poco que hay: el CH₄ es apolar. En el agua los dos vectores forman 104,5° y se refuerzan: es polar, con μ = 1,85 D.
4. Las fuerzas. El metano, al ser apolar, sólo dispone de dispersión de London, y es una molécula chica con pocos electrones: la dispersión es mínima.
El agua tiene hidrógenos unidos directamente al oxígeno, y el oxígeno tiene dos pares libres para recibir. Se cumplen las dos condiciones, así que hay puentes de hidrógeno. Y no uno: cada molécula de agua puede formar hasta cuatro, dos por sus hidrógenos y dos por sus pares libres. Queda una red tridimensional.
para evaporar el metano alcanza con vencer la dispersión → −161 °C
La misma cadena explica el resto: el agua disuelve sales porque es polar, el metano no se disuelve en agua porque es apolar, y el hielo flota porque los puentes de hidrógeno lo obligan a cristalizar con huecos.
Dónde se cae la mayoría
- Decir que al hervir el agua se rompen los enlaces O-H. El vapor sigue siendo H2O: lo que se rompe son las atracciones entre moléculas.
- Afirmar que hay puente de hidrógeno porque la molécula tiene hidrógeno y oxígeno. Hace falta el enlace H-O, H-N o H-F: el dimetiléter tiene los dos átomos y no forma puentes.
- Comparar puntos de ebullición sólo por la masa molar. El agua es más liviana que el H2S y hierve 160 grados más arriba.
- Creer que las moléculas apolares no tienen fuerzas intermoleculares. Tienen dispersión de London, que es lo que permite licuar el oxígeno y el nitrógeno.
Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.
Practicar Fuerzas intermoleculares y propiedades físicas →Dónde entra este tema en el parcial
- Primer parcial — Del átomo a la temperatura de ebullición24 puntos · resuelto paso a paso
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