Fuerzas Intermoleculares y Solubilidad: Ejercicios y Preguntas para la Práctica | Ejercicios de Química Inorgánica

FIS 2013-II Página 1

Grupo 7 Química Inorgánica.

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Fuerzas intermoleculares y solubilidad

Pregunta a responder al final de la sesión:

En términos de fuerzas intermoleculares, ¿cuándo es posible disolver una sustancia en

otra?

Introducción

Los enlaces iónicos y covalentes son interacciones fuertes, responsables de mantener unidos

a los átomos que constituyen un compuesto. Adicionalmente, entre las moléculas se dan otro tipo

interacciones, de menor magnitud, conocidas como fuerzas débiles. A pesar de que pueden

romperse con mayor facilidad, las fuerzas débiles influyen de manera importante sobre las

propiedades de los compuestos, tales como la solubilidad, el punto de fusión, el punto de ebullición,

etcétera.

Las fuerzas intermoleculares débiles (ver tabla 1) pueden clasificarse como:

Ion-dipolo

Dipolo-dipolo Fuerzas de Keesom

Ion-dipolo inducido

Dipolo-dipolo inducido Debye

Dipolo instantáneo-dipolo inducido London

NOTA 1: En una especie química sin momento dipolar se puede inducir uno al aproximar una

carga (o un dipolo) a su nube electrónica. Cuando esto sucede, se dice que se ha generado un dipolo

inducido. Es en las especies más polarizables, en las que es más fácil inducir un dipolo.

NOTA 2: Aun entre especies sin momento dipolar y sin la presencia de cargas o dipolos que

induzcan en ellas un dipolo, el dipolo puede formarse de manera espontánea, al menos brevemente.

La probabilidad de que una nube electrónica se deforme, dando lugar a regiones con mayor

densidad electrónica que otras, no es cero. Estos dipolos instantáneos pueden inducir dipolos en las

moléculas vecinas.

NOTA 3: Un caso muy especial de atracción dipolo-dipolo se da cuando hay un enlace entre un

átomo de hidrógeno y un átomo muy electronegativo, como O, N, F ó Cl, de manera que el

hidrógeno interactúa con dos átomos electronegativos provenientes de distintas moléculas,

formando un puente entre ellas, por lo que a este tipo de interacción se le conoce como puente de

hidrógeno.

Tabla 1. Interacciones entre átomos y moléculas.

Tipo de interacción Intensidad Función energía-distancia

Covalente aMuy fuerte Compleja, pero comparativamente de largo

alcance

Iónica aMuy fuerte 1/r, comparativamente de largo alcance

Ion-dipolo NaCl + H2O→ Na+1 +

Cl-1

Fuerte 1/r2 , de corto alcance

Dipolo-dipolo Moderadamente

fuerte

1/r3 , de corto alcance

Ion-dipolo inducido Débil 1/r4 , de muy corto alcance

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Fuerzas intermoleculares y solubilidad

Pregunta a responder al final de la sesión:

En términos de fuerzas intermoleculares, ¿cuándo es posible disolver una sustancia en

otra?

Introducción Los enlaces iónicos y covalentes son interacciones fuertes , responsables de mantener unidos a los átomos que constituyen un compuesto. Adicionalmente, entre las moléculas se dan otro tipo interacciones, de menor magnitud, conocidas como fuerzas débiles. A pesar de que pueden romperse con mayor facilidad, las fuerzas débiles influyen de manera importante sobre las propiedades de los compuestos, tales como la solubilidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, etcétera. Las fuerzas intermoleculares débiles (ver tabla 1) pueden clasificarse como:  Ion-dipolo  Dipolo-dipolo Fuerzas de Keesom  Ion-dipolo inducido  Dipolo-dipolo inducido Debye  Dipolo instantáneo-dipolo inducido London NOTA 1: En una especie química sin momento dipolar se puede inducir uno al aproximar una carga (o un dipolo) a su nube electrónica. Cuando esto sucede, se dice que se ha generado un dipolo inducido. Es en las especies más polarizables, en las que es más fácil inducir un dipolo. NOTA 2: Aun entre especies sin momento dipolar y sin la presencia de cargas o dipolos que induzcan en ellas un dipolo, el dipolo puede formarse de manera espontánea, al menos brevemente. La probabilidad de que una nube electrónica se deforme, dando lugar a regiones con mayor densidad electrónica que otras, no es cero. Estos dipolos instantáneos pueden inducir dipolos en las moléculas vecinas. NOTA 3: Un caso muy especial de atracción dipolo-dipolo se da cuando hay un enlace entre un átomo de hidrógeno y un átomo muy electronegativo, como O, N, F ó Cl, de manera que el hidrógeno interactúa con dos átomos electronegativos provenientes de distintas moléculas, formando un puente entre ellas, por lo que a este tipo de interacción se le conoce como puente de hidrógeno. Tabla 1. Interacciones entre átomos y moléculas. Tipo de interacción Intensidad Función energía-distancia Covalente a^ Muy fuerte Compleja, pero comparativamente de largo alcance Iónica a^ Muy fuerte 1/r, comparativamente de largo alcance Ion-dipolo NaCl + H 2 O→ Na +1^ + Cl - Fuerte 1/r^2 , de corto alcance Dipolo-dipolo Moderadamente fuerte 1/r^3 , de corto alcance Ion-dipolo inducido Débil 1/r^4 , de muy corto alcance

Dipolo-dipolo inducido Muy débil 1/r^6 , de alcance extremadamente corto Dipolo instantáneo-dipolo inducido Extremadamente débil 1/r^6 , extremadamente de corto alcance a Interacciones identificadas generalmente en enlaces interatómicos. Procedimiento experimental 1.- Tienes frente a ti una serie de disolventes: hexano, éter, acetona, metanol y agua. Analiza la fórmula desarrollada de estos compuestos (ver figura 1) y contesta las preguntas siguientes. CH 3 CH (^2) CH 2 CH (^2) CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 O CH (^2) CH (^3) CH O CH 3 H 3 C a b c OH H OH d e 3

“Lo NO Polar disuelve a lo NO Polar” “Lo similar disuelve a lo similar”  = Momento dipolar  = Densidad de carga = Dipolos, pueden ser ( + ) o ( - ) Dipolo - Dipolo a) ¿Qué tipo de interacción se manifiesta las moléculas de cada disolvente? (Llena la tabla 2.) Tabla 2. Interacciones entre moléculas de disolventes puros. Moléculas Tipo de interacción Hexano- Hexano Dipolo instantáneo-dipolo inducido Éter-Éter (^) Dipolo instantáneo-dipolo inducido Acetona- Acetona Dipolo-dipolo inducido Metanol- Metanol Dipolo -Dipolo Agua-Agua (^) Dipolo -Dipolo b) De acuerdo con lo que anotaste en la tabla anterior, coloca los disolventes en orden decreciente de la fuerza intermolecular que mantiene unidas sus moléculas: Agua > >Metanol> Acetona>ÉterÉter > Hexano 2.- Prueba la miscibilidad de los diferentes disolventes. Llena la tabla 3, marcando con una  cuando dos disolventes resulten ser miscibles y con una  cuando no lo sean. Tabla 3. Resultados de miscibilidad al mezclar pares de disolventes. Éter NO POLAR Metanol BIPOLAR Hexano NO POLAR H 2 O POLAR Acetona BIPOLAR (^)     Éter NO POLAR (^)   X Metanol BIPOLAR  

Hexano NO POLAR X a) ¿Qué tipo de interacción se manifiesta entre las moléculas de los diferentes disolventes que componen cada una de las mezclas que probaste? (Completa la tabla 4.) Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo inducido Dipolo instantáneo-dipolo inducido Tabla 4. Interacciones entre moléculas de dos disolventes distintos. Moléculas Tipo de interacción Acetona-Éter Dipolo-Dipolo Acetona- Metanol Dipolo-Dipolo Acetona- Hexano Dipolo-Dipolo inducido Acetona-Agua Dipolo-Dipolo Éter-Metanol Dipolo-Dipolo Éter-Hexano Dipolo-Dipolo inducido Éter-Agua Dipolo-Dipolo Metanol- Hexano Dipolo-Dipolo inducido Metanol-Agua Dipolo-Dipolo Hexano-Agua Dipolo-Dipolo inducido 3.- En un tubo de ensaye coloca 0. 5 mL de agua y posteriormente agrega 0. 5 mL de éter. Agita y observa. Adiciona unas gotas de acetona. Agita VIGOROSAMENTE y observa con mucha atención lo que pasa. a) ¿A cuál de las dos fases se integra la acetona? Al agua. b) ¿Cómo puedes explicarlo? Cómo puedes explicarlo? Porque la interacción Dipolo-Dipolo entre el agua y la acetona es mas afín, ya que en fuerzas intermoleculares el agua y la acetona son polares entonces se logran disolver y forman puentes de hidrogeno entre ellas; sus momentos dipolares son más semejantes que los de la mezcla agua-éter. 4.- Continúa con la adición de acetona hasta que hayas añadido 2 mL. No olvides agitar VIGOROSAMENTE al final de la adición. Al final observa con mucha atención. a) ¿Qué pasó La mezcla se homogeneizó completamente, ya sé que observa una sola fase. b) ¿Por qué Debido a que la acetona es una molécula bipolar puede ser miscible con el agua y con el éter. 5.- Disuelve un cristal (muy pequeño) de yodo en 1 mL de acetona y observa. Repite la operación en otro tubo de ensaye, pero ahora con hexano. Observa. A este último tubo añádele, mililitro por mililitro, 3 mL totales de

7.- Disuelve otro cristalito de yodo en un tubo con 1 mL de agua. En otro tubo disuelve una pequeña cantidad de yoduro de potasio, KI en agua. Vierte la disolución de KI al tubo con la disolución de yodo y toma nota de tus observaciones. INFORMACIÓN: la reacción que se lleva a cabo es K+^ + I-^ + I 2  K+^ + I 3 - a) ¿Qué tipo de interacción es la que da origen a la especie I 3 -? Ion-dipolo inducido. 8.- Al tubo final del punto 6 agrégale una pequeña cantidad de KI (^) (sólido) y agítalo vigorosamente. a) Describe lo que observaste y explica lo que sucedió en función de fuerzas intermoleculares: La proximidad del ion provoca una distorsión en la nube electrónica de la molécula apolar que convierte (de modo transitorio) en una molécula polarizada. En este momento se produce una atracción entre el ión y la molécula polarizada. 9.- En términos de fuerzas intermoleculares, ¿cuándo es posible disolver una sustancia en otra? Cuando los compuestos tienen propiedades similares. 10.- “Torito” experimental: Coloca 1 mL de agua en un tubo de ensaye y añade un poco de acetilacetonato de hierro(III) (lo que tomes con la punta de una espátula). Anota tus observaciones: Una parte no se disolvió́, mientras que la otra si volviéndose color naranja. a) Ahora agrega 1 mL de éter etílico y registra lo que observaste. Se formaron dos fases, una debajo de color naranja mas obscura que la de arriba b) Finalmente, agrega NaCl, agita y anota tus observaciones. Reaccionaron, pues se observo una liberación de burbujas (gas), notándose igualmente dos fases pero pareció que disolvió un poco más. c) Considerando las interacciones intermoleculares, ¿cómo podrías explicar lo que observaste? El NaCl se fue con el agua y creo interacciones Ion-Dipolo, en la parte de arriba se quedó el acetilacetonato de hierro (III) con el éter, los que formaban interacciones dipolo-dipolo

Para pensar... 11.- Si las interacciones ion-ion son mucho más fuertes que las interacciones ion-dipolo, ¿por qué muchos compuestos iónicos son solubles en agua? El agua absorbe grandes cantidades de calor que utiliza en romper los puentes de hidrógeno. ... Las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando a desdoblar los compuestos iónicos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua.

En términos de fuerzas intermoleculares, ¿cuándo es posible disolver una sustancia en

otra?

Las fuerzas intermoleculares determinan la solubilidad de los compuestos orgánicos. La regla general es que lo semejante disuelve a lo semejante: las sustancias polares se disuelven en disolventes polares y las no polares en disolventes no polares. Bibliografía: [1]. http://www.ehu.eus/biomoleculas/moleculas/fuerzas.htm. Consultado 4 de junio de

[2]. Química en la Educación Superior. Peña, Sandra & Nevarez, Eddie. (2017). [3]. Principios de química: los caminos del descubrimiento por Atkins, Peter; Jones, Loretta. Ed. Médica Panamericana (2006). ISBN 9789500600804. [4]. CIENCIA. E INGENIERÍA. DE LOS MATERIALES. TERCERA EDICIÓN. DONALD R. ASKELAND. Universidad de Missouri-Rolla. INTERNATIONAL. THOMSON.

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otra?

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