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TEMA 1: FUERZAS INTERMOLECULARES
INTRODUCCIÓN
-Si tenemos cargas eléctricas positivas y le aplicamos la fuerza de un campo eléctrico, la fuerza resultante que ejercen unas cargas sobre otras tiene la misma dirección que el campo eléctrico.
Una carga positiva bajo la acción de un campo eléctrico ejerce una fuerza con la misma dirección y sentido que el campo eléctrico, ya tengamos cargas enfrentadas o una sola carga.
Si tenemos varias cargas distintas, para obtener la fuerza resultante ejercida por todas ellas, debemos tomar una sola carga equivalente a la suma de todas las demás. Debemos colocar esta carga resultante en el centro de simetría del sistema de distribución de cargas positivas, un punto tal que la fuerza ejercida por el campo eléctrico sea la misma tomemos una o varias cargas, equivalentes entre ellas. El centro de simetría de distribución de cargas positivas se denota por H, el de cargas negativas por H’.
-Si tenemos cargas eléctricas negativas y le aplicamos la fuerza de un campo eléctrico, la fuerza resultante que ejercen unas cargas sobre otras tiene dirección opuesta a la del campo eléctrico.
Una carga negativa bajo la acción de un campo eléctrico ejerce una fuerza de dirección y sentido distintos a los del campo eléctrico, ya tengamos cargas enfrentadas o una sola carga.
Tomamos una molecula formada por seis atomos distintos. Al someter la molecula a la acción de un campo eléctrico, debemos calcular el punto H y el punto H’.
MOLÉCULAS
Los atomos tienen carga, la positiva es igual a la negatica, por ello, la carga neta es nula.
A las moléculas les ocurre igual que a los atomos, la carga neta es nula.
Un sistema con dos cargas iguales, una positiva y otra negativa, separadas por una pequeña distancia, se denomina dipolo eléctrico. Existe una magnitud física característica de estos dipolos, μ, momento dipolar, una magnitud vectorial. Se define el momento dipolar como el producto de la carga tomada en valor absoluto, tanto la positiva como la negativa, multiplicada por “r”, la distancia que separa dichas cargas, magnitud vectorial cuyo sentido debe ser de H’ a H, es decir de – a +.
μ = |q|· r
Al coincidir H y H’, la distancia entre ambos puntos es 0, por consiguiente el momento dipolar seria 0 tambien, pero seguimos teniendo un dipolo pese a tener momento dipolar nulo.
En el caso de las moléculas podemos tener dos casos:
- H y H’ coinciden. Molecula eléctricamente neutra, momento dipolar igual a 0, apolar.
●H+
F 1
E
●H’-
F 1
E
H H’
q+● ●q-
- H y H’ no coinciden. Molecula electricmente neutra, momento dipolar distinto de 0, polar.
MOLÉCULAS DIATÓMICAS
Los atomos dentro de una molecula no ocupan posiciones fijas, si no que pueden vibrar oscilar, etc.
La distribución espacial de las cargas negativas asociada a los electrones está en constante cambio.
Al hablar de moléculas, los puntos H y H’ son los puntos promedio del centro de simetría a lo largo del tiempo.
- Las moléculas diatomicas heteroatómicas como la del HCl tienen μ≠0.
-Las moléculas diatomicas homoatomicas como la del Cl 2 tienen μ=0.
-La electronegatividad es la tendencia de un atomo a atraer mas o menos electrones para favorecerse. La electronegatividad aumenta en la tabla periódica hacia arriba y hacia la derecha.
El par de electrones enlazante en el caso del Cl 2 , por ejemplo, esta a la misma distancia de ambos atomos.
En el caso del HCl los electrones estarán mas próximos al atomo mas electronegativo, es decir, el Cl. H y H’ no coinciden y por ello μ≠0.
MOLÉCULAS POLIATÓMICAS
El momento dipolar de enlace C-C es igual a 0. El momento dipolar de la molecula de benceno es igual a 0, pese a tener 6 momentos dipolares distintos de 0. Estos 6 momentos dipolares se anulan entre ellos, por eso la molecula de benceno es apolar.
μC6H6 = ∑ μENLACE = 0
μ≠0; polar μ≠0; polar μ=0; apolar
CAMPO ELÉCTRICO
La acción que ejerce un campo eléctrico sobre un dipolo es una acción de orientación del momento dipolar con relación al campo eléctrico. Es una acción tendente a orientar.
Entre las armaduras de un condensador de armaduras planas se crea un campo eléctrico uniforme.
Al colocar una carga positiva en medio de las armaduras del condensador, la placa positiva la repele, por lo que la fuerza ejercida por el campo eléctrico tiene la misma
Cl
Cl
Cl Cl Cl
Cl
E
E
E
momento dipolar inducido por un campo eléctrico de valor 1 unidad. α es proporcional al volumen. A mayor α, mayor volumen. A mayor volumen, mayor momento dipolar inducido.
FUERZAS INTERMOLECULARES: DIPOLO-DIPOLO, DIPOLO-DIPOLO
INDUCIDO, FUERZAS DE DISPERSIÓN DE LONDON
DIPOLO-DIPOLO
Entre la molecula 1 y 2 se establecen fuerzas de atracción. También existen fuerzas de repulsión entre los – de la molecula 1 y los – de la molecula 2. Ocurre lo mismo con los +.
Al encontrarse a una distancia pequeña polos opuestos, es posible que, en este caso, predominen las fuerzas de atracción. La fuerza neta resultante sería de atracción.
Al contrario que en el caso anterior, en este caso la fuerza resultante probablemente sea repulsiva.
Dentro de todas las posiciones relativas de 2 respecto a 1, la fuerza neta resultante en todos los casos sería de atracción o de repulsión.
DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO
Al crear la molecula 1 un campo electrico este actua sobre la molecula 2 ejerciendo una fuerza tanto sobre – como sobre +. De este modo se provoca la aparicion de un momento dipolar inducido por el campo electrico formado por la molecula 1 en la molecula 2.
DIPOLO INSTANTÁNEO-DIPOLO INDUCIDO
La molécula 1 que por termino medio no tiene momento dipolar distinto de cero, en un instante dado, posee un momento dipolar distinto de cero, formandose un momento dipolar instantaneo. En ese instante la molécula 1 se comporta como una molecula polar.
Entonces ocurre lo mismo que en el caso del dipolo-dipolo inducido.
Entre las moleculas cabe la posibilidad de que existan tanto fuerzas de repulsion como de atraccion.
FUERZAS DE REPULSIÓN Y ATRACCIÓN
FUERZAS DE REPULSION
Según 2 se va moviendo desde la posición D a la posición A, pasando por B y C, las fuerzas de repulsión entre 1 y 2 van aumentando.
F>F’>F’’>F’’’
2 se alejará de 1 espontáneamente si su energía potencial disminuye. Cuando la molécula 2 se encuentra en el infinito, la fuerza de repulsión es 0.
Todos los sistemas tienden a situaciones en que la energía potencial de este sea mínima.
F = - (dU/dr) dU/dr = tg α = m < 0
El signo menos en la ecuación de la fuerza nos indica cual es el sentido de la fuerza, que es igual al de los potenciales decrecientes.
FUERZAS DE ATRACCIÓN
Según 2 se va mociento por el eje r desde D a A, pasando por B y C, las fuerzas de atracción van aumentando.
F 4 >F 3 >F 2 >F 1
2 se acercará espontaneamente a 1 si este movimiento implica una disminución de su energía potencial. Cuando la molécula 2 se encuentra en el infinito, la fuerza de atracción entre 1 y 2 es nula.
Todos los sistemas tienden a situaciones en que la energía potencial de este sea mínima.
F = - (dU/dr) dU/dr = tg α = m > 0
El signo menos en la ecuación de la fuerza nos indica cual es el sentido de la fuerza, que es igual al de los potenciales decrecientes.
SUMA DE FUERZAS DE ATRACCIÓN Y REPULSIÓN
En la vida real entre moléculas actúan simultáneamente fuerzas de atracción y de repulsión.
Una vez que la molécula 2 se sitúa en el punto D, el mínimo, deja de moverse puesto que se ha alcanzado el equilibrio.
Desde el punto D hasta ∞ predominan las fuerzas atractivas mientras que desde el punto D a la posición que ocupa 1 predominan las fuerzas repulsivas.
POTENCIAL LENNARD-JONES
Un par de átomos o moléculas neutros están sujetos a dos fuerzas distintas en el límite de una gran separación y de una pequeña separación: una fuerza atractiva actúa a grandes distancias y una fuerza repulsiva actuando a pequeñas distancias. El potencial de Lennard-Jones (también conocido como el potencial 12-6) es un modelo matemático sencillo para representar este comportamiento.
El potencial de Lennard-Jones es de la forma:
donde:
- es la profundidad del potencial.
- es la distancia (finita) en la que el potencial entre partículas es cero.
- r es la distancia entre partículas.
Estos parámetros pueden ser ajustados para reproducir datos experimentales o pueden ser
deducidos de resultados muy precisos de cálculos de química cuántica. El término describe
la repulsión y el término describe la atracción.
COMPARACIÓN DE LA GRÁFICA U-r DE DOS MOLECULAS, POLAR Y APOLAR
A y B son dos moléculas, de agua y benceno respectivamente. El benceno es apolar, por lo que únicamente presenta fuerzas de dispersión de London. El agua es polar, por ello presenta los tres tipos de fuerzas de Van der Waals. Por consiguiente, las fuerzas intermoleculares son mayores en el agua que en el benceno.
Al ser F = - (dU/dr) y sabiendo que las fuerzas son mayores en el agua, podemos afirmar que la gráfica de la derecha se corresponde con el agua por presentar mayor pendiente. El benceno al ser apolar y teniendo menores fuerzas intermoleculares, se corresponde con la gráfica de la izquierda cuya pendiente es menor.
UT
Con el potencial Lennard-Jones podemos demostrar que, siendo ε el mínimo de energía potencial, cuanto mayor sea ε mayor será UT y por tanto mayor será F también.
La polarizabilidad es directamente proporcional al tamaño. Si las polarizabilidades fuesen iguales, εA y εB coincidirían. Si αA>αB entonces, al superponer las gráficas, εA estaría más hacia la derecha que εB.
σ es la distancia a la cual la energía potencial es 0, varía de unas moléculas a otras.
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LAS FUERZAS DE ATRACCIÓN
Las fuerzas de atracción intermoleculares son proporcionales a la energía de vaporización del liquido.
- ΔH = ΔU + Δ(P·V) ; P=cte => ΔH = ΔU + P·ΔV => ΔU = ΔH – P·ΔV
-En el paso de líquido a vapor, proceso de vaporización, V se toma como el volumen del gas.
ΔUVAP = ΔHVAP - P·VGAS
-Suponemos que el sistema se encuentra a su temperatura normal de ebullición y suponemos comportamiento ideal del gas.
P·V = n·R· T^0 EB
ΔUVAP = ΔHVAP - P·VGAS ΔUVAP = 21 T^0 EB - 2 T^0 EB => ΔUVAP = 19 T^0 EB
ΔSVAP = ΔHVAP/T^0 EB ≈ 21
Las fuerzas de atracción intermoleculares son proporcionales a la energía de vaporización del liquido y proporcionales a la temperatura normal de ebullición. La temperatura normal de ebullición es una magnitud que nos daría una idea de la intensidad de las fuerzas intermoleculares entre dos moléculas.
TABLA DE MOLÉCULAS GRANDES
Ne CH 4 NH 3 H 2 O FH Óxido de etileno EtOH CH 3 F CH 3 OH α 0 ’ 092 2 ’ 59 2 ’ 34 1 ’ 59 0 ’ 8 5 ’ 2 5 ’ 2 3 ’ 84 3 μ 0 0 1 ’ 46 1 ’ 85 1 ’ 91 1 ’ 9 1 ’ 7 1 ’ 81 1 ’ 7 TEB 27 ’ 3 111 ’ 7 240 373 293 284 352 195 338
Comparamos el óxido de etileno y el alcohol etílico. Tienen la misma polarizabilidad. Según lo visto previamente, el que debería tener mayor temperatura de ebullición es el oxido de etileno, pero no es asi.
Comparando el oxido de etileno con todas las sustancias de la izquierda tiene mayor polarizabilidad y mayor o igual momento dipolar. Si las cosas funcionasen bien, debería tener también mayor temperatura de ebullición. Se cumple con el neon, metano y amoniaco pero no con el agua y fluoruro de hidrogeno.
UT
