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Tema 3: Fuerzas Intermoleculares y estados
de agregación de la materia
- Fuerzas intermoleculares. Interacciones hidrofílicas
e hidrofóbicas
- Estados de agregación: gases y líquidos- Disoluciones
1
Fuerzas Intermoleculares
Las
fuerzas intermoleculares
son fuerzas de atracción
entre
las moléculas.
Intermolecular frente a Intramolecular •^
41 kJ para vaporizar 1 mol de agua (
inter
)
-^
930 kJ para romper todos los enlaces O-H de 1 mol de agua (
intra
)
En general: lasfuerzas inter
moleculares son mucho másdébiles que las intra
moleculares
“Medida” de fuerzas intermoleculares
Punto de ebulliciónPunto de fusión
∆H
vap ∆H
fus ∆H
sub
Las
fuerzas intramoleculares
son las responsables de que los átomos se
mantengan unidos en el interior de las moléculas.
2
Fuerzas Intermoleculares
Fuerzas Ión-DipoloFuerzas Dipolo-Dipolo Fuerzas de Dispersión (o de London) Enlaces de hidrógeno
Fuerzas deVan der Waals
3
Fuerzas Intermoleculares
Fuerzas Ión-Dipolo
(15KJ/mol)
Fuerzas de atracción entre un
ión
y una
molécula polar
Interacción Ión-Dipolo
4
Fuerzas Intermoleculares
Fuerzas Ión-Dipolo
(15KJ/mol)
E ~ Z
μ
/d
2
(media distancia)
Desde lejos un dipolo parece no tener carga (se cancelan)Responsable de la hidratación de cationes en disoluciónResponsable de la existencia de sales hidratadasMayor cuanta más carga del catión
5
Interacción
débil Interacción
fuerte
6
Fuerzas Intermoleculares
Fuerzas Dipolo-Dipolo
(2KJ/mol)
Fuerzas de atracción entre
moléculas polares: H
O, SO 2
2
Orientación de las moléculas polares en un sólido
7
Fuerzas Intermoleculares
Fuerzas Dipolo-Dipolo Más débil que ión-ión (cargas parciales)E ~
μ
μ 1
/d 2 3
(en sólidos)
En gases todavía son más pequeñas debido ala rotación de las moléculas y a que lasdistancias son mayores; en líquidos sonintermediasPor eso la ecuación PV=nRT se aplica también agases polares a presiones reducidasE ~
μ
μ 1
/d 2 6
(en gases)
8
S
1. ¿Qué tipo(s) de fuerzas intermoleculares aparecen en cada una delas siguientes moléculas?^ HBr HBr es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo. También seproducen fuerzas de dispersión entre las moléculas de HBr^ CH
4
CH
es no polar: fuerzas de dispersión. 4 SO
2
SO
es una mólecula polar: fuerzas dipolo-dipolo. También 2 se producen fuerzas de dispersión entre moléculas de SO
.^2
13
Ejercicio
Enlaces de hidrógeno
(20KJ/mol)
El
enlace de hidrógeno
es una interacción dipolo-dipolo
especial entre los átomos de hidrógeno de un enlace polartipo N-H, O-H, o F-H y átomos electronegativos O, N, o F.
A^
H
B^
A^
H
A
o
A & B son N, O, o F Fuerzas Intermoleculares
14
¿Por qué el enlace de hidrógeno se considerauna interacción dipolo-dipolo “especial”?
Descenso de la masa molecularDescenso del punto de ebullición
Punto de ebullición (ºC)
Periodo
15
Enlaces de Hidrógeno^ Lo suficientemente fuerte como para mantenerse en fase gasResponsable de la hidratación de oxoaniones en disoluciónResponsable de la estructura secundaria del ADN y proteínas
Fuerzas Intermoleculares
16
Estructura secundaria de las proteínas: hélice alfa
Se establecen puentes de hidrógeno
entre los oxígenos y los N-HLa hélice está estrechamente empaquetada, de forma que no hay
casi espacio libre en su interior.Todas las cadenas laterales de los aminoácidos están dispuestas hacia
el exterior de la hélice.
17
HidrógenoNitrógeno
Oxígeno Carbono
Carbono
Estructura secundaria de las proteínas: lámina beta
18
Se establecen puentes de hidrógeno entre los oxígenos y losN-H de dos cadenas paralelas.
Estructura secundaria del ADN: la doble hélice o fibra de ADN
Bases complementarias…?
19
N N
N O
H
H
H
H N N
O O
H
H
H
N
N
N N
O H
N H
H
H
N
N
N N N H
H
H
puentes de hidrógeno^ H
cadena
citosina
guanina adenina
timina
Bases complementarias:
C- G
A-T
La complementariedad es debida a los puentes de hidrógeno
20
Interacciones hidrofílicas
A nivel biológico, las interacciones moleculares reversibles sedeben a
enlaces electrostáticos
(interacciones entre iones
de carga opuesta),
puentes de hidrógeno
e interacciones
de Van der Waals
(fuerzas intermoleculares excluyendo las
anteriores). Todas estas interacciones se ven afectadasprofundamente por la presencia de agua.Por ello, los sustratos se ligan a los enzimas en lascavidades del centro activo en las que se excluye el aguacuando el sustrato está unido.
25
Interacciones hidrofílicas
El agua disminuye la fuerza de las interaccioneselectrostáticas; debido a su polaridad es capaz deinteraccionar con un ión formando una capa dedisolvente a su alrededor; esto debilita la interacciónde ese ión con el resto de iones.
26
El agua puede formar puentes de hidrógeno, actuandotanto como dador o como aceptor. Así, una interacciónfuerte de enlaces de hidrógeno entre un grupo CO y ungrupo NH sucede solamente si se excluye el agua.
N H
C^
O O H H
H^
O
H
En agua aceptor
dador
C^
O^
N H
En un ambiente no polar
dador
aceptor
Interacciones hidrofílicas
27
Por último, el agua, al tener dipolo, también puedeinteraccionar con moléculas polares.
Las moléculas o grupos apolares tienden a agruparse en elseno del agua formando grandes agregados que minimizan suinteracción con las moléculas de H
O; estas asociaciones se 2
mantienen debido a las
interacciones hidrofóbicas
. Por tanto,
el agua acentúa las interacciones de las moléculas apolares
Las interacciones hidrofóbicas son la fuerza principal que dirigeel plegado de las macromoléculas, la unión de sustratos a losenzimas, la formación de las membranas celulares y otrasmuchas interacciones en sistemas biológicos.
Interacciones hidrofóbicas
28
29
hidrófobos polares básicos
ácidos
Los aminoácidos
Los fosfolípidos como la fosfatidilcolina se organizan teniendoen cuenta su naturaleza anfipática (son a la vez hidrofílicos ehidrofóbicos).
Interacciones hidrofóbicas
30
La formación de bicapas lipídicas es un proceso de auto-ensamblaje dirigido por las interacciones hidrofóbicas
Las membranas celulares son bicapas lipídicas. Los lípidosde membrana son moléculas anfipáticas; contienen a lavez una parte hidrofílica y otra hidrofóbica. Los tres tiposprincipales de lípidos de membrana son los fosfolípidos(como la fosfatidilcolina), los glicolípidos y el colesterol.
31
32
fosfolípido colesterol
glicolípido
esfingosinaácido grasoglúcido
37
2. ¿Cuáles son las fuerzas intermoleculares en los siguientescompuestos: CH
SH, H 3
N, CH 3
OH, KF, CH 3
CH 3
. ¿Cuál 3
Ejercicio presenta un mayor punto de fusión? ¿Y menor punto defusión?
Gases*
Estados de agregación
38
*Tema 5 del Masterton
39
Repasa las propiedades generales de los gases,la ley de los gases ideales y la ley de Dalton delas presiones parciales. Puedes encontrarlo en elMasterton (cap 5.2, 5.3 y 5.5) o bien en lasdiapositivas que figuran a continuación (37 a 44).Resuelve los problemas 3 y 5; los recogeremosen clase.
•^
Los gases adoptan el volumen y la forma del recipienteque los contiene.
-^
Los gases son más compresibles que cualquier otroestado de la materia (densidad variable).
-^
Los gases se mezclan completamente cuando seconfinan en un mismo recipiente
-^
Licuables (por compresión o enfriamiento)
-^
Ejercen presión (medida con manómetro o barómetro -laatmosférica)
-^
Son fluidos
Características físicas de los gases Propiedades de los gases: presión del gas.
40
Las leyes elementales de los gases
.
-^
Ley de Boyle
V
1/P
-^
Ley de Charles
V
T
-^
Ley de Avogadro V
n
PV = nRT
V
∝
nT P
41
R = 0,082057 atm L mol
K
= 8,3145 J mol
K
= 8,3145 m
3
Pa mol
K
Condiciones estándar de temperatura y presión
-^
Las propiedades del gas dependen decondiciones.
-^
Defina las condiciones estándar detemperatura y presión.
P = 1 atm
= 760 mm Hg
T = 0
C
= 273,15 K
42
Aplicaciones de la ecuación de los gases ideales.Determinación de la masa molar y de la densidad
PV = nRT
y^
n =
mM
PV =
mM
RT
M =
m
RTPV
43
MP^ RT
mV
= d =
PV =
mM
RT
Determinación de una masa molar utilizando la ecuaciónde los gases ideales. 3. El propileno es un producto químico importante. Se utiliza enla síntesis de otros productos orgánicos y en la obtención deplásticos. Un recipiente de vidrio pesa 40,1205 g limpio, seco yhecho el vacío; 138,250 g cuando se llena con agua a 25,
°C
(δ = 0,9970 g/cm
-3); y 40,290 g cuando se llena con gas
propileno a 750,1 mmHg y 22,0 °C. ¿Cuál es la masa molar delpropileno?
44
Ejercicios
Sol: M = 42,2 g/mol
8. La circulación de oxígeno y dióxido de carbono en lospulmones se basa en el hecho de que los gases fluyenespontáneamente desde una región de presión superior a otrade presión inferior. En los alveolos la pO
es 101mmHg y la pCO 2
2
es 40mmHg. Calcular las presiones parciales de O
y CO 2
del 2
aire que entra en los pulmones (utilizar los datos de composicióndel aire seco) y comprobar en qué sentido fluye cada gas (de lospulmones a los alveolos o al contrario).
49
Ejercicios
Composition of Dry Air
50
Composición del aire seco(cerca del nivel del mar)
Destilación del aire
51
Nitrógeno
52
Ocupa el sexto lugar entre los productos químicos demayor fabricaciónSu importancia radica en la facilidad con que setransforma en una gran variedad de productosnitrogenadosSe emplea como fertilizanteEl amoniaco acuoso se usa como agente de limpieza
Amoniaco
53
Óxidos de nitrógeno
•^
El N
O (óxido nitroso) es un gas con efecto invernadero. 2 También posee propiedades narcóticas y es usado comosedante; se le conoce como gas de la risa.
-^
El NO es el óxido nítrico. Es muy inestable al aire. El cuerpohumano produce pequeñas cantidades de NO a partir delaminoácido arginina. Esto ayudó a entender el mecanismo deactuación de diversos nitratos orgánicos empleados comomedicamentos en ataques de angina de pecho que igualmenteliberan NO en el cuerpo humano.
-^
La síntesis de NO se realiza por acción de una enzima, la sintasa de óxido nítrico
(NOS) a partir del aminoácido L-
arginina que produce NO y L-citrulina.
54
Los gases nobles
•^
Se utilizan en bombillas eléctricas, láseres y lámparas deflash.
-^
He y Ar se utilizan para recubrir materiales que necesitan serprotegidos del nitrógeno y oxígeno del aire.
-^
He se utiliza como una mezcla respirable para buceosubmarino sustituyendo al nitrógeno, para evitar la narcosis yel disbarismo.
-^
Los imanes superconductores emplean He líquido comorefrigerante.
55
Oxígeno
56
Hemoglobina
61
El efecto “invernadero”
a)
La luz solar que llegaalcanza la superficiede la Tierra. b)
La superficie de laTierra emite radiacióninfrarroja. c)
La radiación infrarrojaabsorbida por el CO
y 2
otros gases del efectoinvernadero calientanla atmósfera.
62
63
*Tema 9 del Masterton
Líquidos*
Estados de agregación
Fuerzas intermoleculares y algunas propiedades de los
líquidos
•^
Tensión superficial:^ – Energía o trabajo necesario para aumentar el área de la
superficie de un líquido.
-^
Viscosidad:^ – Resistencia del líquido a fluir.
-^
Presión de vapor
64
Tensión superficial
es la cantidad de energía necesaria
para aumentar o disminuir la superficie de un líquido porunidad de área. Fuerzas intermoleculares > tensión superficial ¿Cuál será el efecto de la temperatura?^ Forma esférica en ausencia de gravedadMojado de superficies: fuerzas de cohesión yfuerzas de adhesiónRedondeado del vidrio
Propiedades de los líquidos
65
Propiedades de los líquidos
Cohesión
es la atracción intermolecular entre moléculas
idénticas de un líquido Adhesión
es la atracción entre diferentes moléculas
66
67
La cohesión es la causa de que el agua forme gotas,la tensión superficial hace que se mantengan esféricasy la adhesión las mantiene en su sitio
Viscosidad
es una medida de la resistencia que opone un
fluído a fluir.
Viscosidad de algunos líquidos habituales a 20ºC TABLA 11.
Líquido
Viscosidad(N.s/m
2 )
Acetona Benceno Sangre Tetracloruro de C Etanol Eter dietílico Glicerol Mercurio Agua
Fuerzas intermoleculares > viscosidad> Temperatura < viscosidad
Propiedades de los líquidos
68
Presión
Temperatura
Sólido
Líquido
Vapor
Diagrama de fases para el dióxido de carbono
73
74
La
presión crítica ( P
) es la presión quec debe aplicarse paraconseguir que seinicie la licuefacción ala temperatura crítica.
La
temperatura crítica
( T
) es el punto más alto de la curvac
líquido-vapor y la temperatura más alta a la que el líquidopuede existir; un gas sólo puede licuarse a temperaturas pordebajo de la
T
, con independencia de lo elevada que sea lac
presión aplicada al mismo.
El punto crítico
75
Fluidos supercríticos
Los FSC poseen propiedades de disolvente similares alos líquidos; además, al variar la presión varía sudensidad y también sus propiedades como disolvente
El CO
supercrítico a 90ºC y 160-220 at se utiliza como 2
disolvente para eliminar la cafeína del café (sobre elgrano verde); también se utiliza como disolvente deextracción en perfumería.
76
Disoluciones*
77
*Tema 10 del Masterton
78
Repasa qué es una disolución y las formas enque se puede expresar la concentración.Puedes verlo en las diapositivas siguientes(76 a 80) o bien en el Masterton (cap 10.1).
Contenido
s
- Tipos de disoluciones. Términos utilizados.• Concentración de una disolución.• Fuerzas intermoleculares y procesos de disolución.• Efecto de la temperatura en la solubilidad• Efecto de la presión en la solubilidad• Propiedades coligativas
Descenso de la presión de vaporPresión osmóticaDescenso del punto de congelación y elevacióndel punto de ebullición
79
Tipos de disoluciones. Términos utilizados
.
-^
Las disoluciones son mezclas
homogéneas
- Sus propiedades son uniformes. -^
Disolvente:^ – Determina el estado de la materia en la que existe
una disolución.
- Está presente en cantidad mayor. -^
Soluto:^ – Otros componentes de la disolución que están
disueltos en el disolvente.
80
