Fuerzas Intermoleculares Y Solubilidad PDF

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FABELA PEREZ IVAN ANTONIO GRUPO: 19

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.

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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

Dipolo- dipolo

Fuerte

1/r2, de corto alcance

Ion-dipolo NaCl + H2O →Na+1 + Cl-1

Moderadamente fuerte

1/r3, de corto alcance

Ion-dipolo inducido

Débil

1/r4, de muy corto alcance

Dipolo-dipolo inducido.

Muy débil

1/r5, de alcance extremadamente corto

Extremadamente débil Dipolo instantáneo-dipolo inducido

1/r6, extremadamente de corto alcance

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. a) ¿Qué tipo de interacción se manifiesta en las moléculas de cada disolvente? (Llena la tabla 2.) Tabla 2. Interacciones entre moléculas de disolventes puros.

Moléculas Hexano-hexano

Tipo de interacción Dipolo instantáneo-dipolo inducido

FABELA PEREZ IVAN ANTONIO GRUPO: 19 Éter-éter Acetona-acetona Metanol-metanol Agua-agua

Dipolo instantáneo-dipolo inducido ó Dipolo inducido Dipolo-dipolo inducido Dipolo-dipolo 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> Éter > Hexano Tabla 3. Resultados de miscibilidad al mezclar pares de disolventes.

Acetona BIPOLAR Éter NO POLAR Metanol BIPOLAR Hexano NO POLAR

Éter NO POLAR V

Metanol BIPOLAR V

Hexano NO POLAR V

H2O POLAR

V

V

x

V

V

V

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 Acetona-Éter Acetona-Metanol Acetona-Hexano Acetona-Agua Éter-Metanol Éter-Hexano Éter-Agua Metanol-Hexano Metanol-Agua Hexano-Aguua

Tipo de interacción Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo inducido Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo inducido Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo inducido Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo inducido

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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? La acetona se integro al agua, que es la fase orgánica. b) ¿Cómo puedes explicarlo? Para la acetona y agua dipolo-dipolo, ya que son las mas fuertes que las de acetona-éter ya que este último es no polar. c) 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? Al principio se observan dos fases, cuando se agrega mas acetona se comienza a homogenizar. b) ¿Por qué? Esto se debe a que la acetona se disuelve tanto en agua como en éter y al haber un exceso de acetona esta solventará al éter y podrá coexistir con el agua. c) 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 acetona. Anota tus observaciones. a) Describe lo que pasó entre el yodo y la acetona: Se formo una disolución de color ámbar muy intenso. b) ¿Qué tipo de interacción intermolecular se manifiesta entre el yodo y la acetona? Dipolo-dipolo inducido por ser no polar. c) Describe lo que observaste en el tubo que contiene yodo y hexano

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𝑰𝟐 → 𝑰 − 𝑰 𝑵𝒐 𝒑𝒐𝒍𝒂𝒓 d) ¿Qué tipo de interacción intermolecular se presenta entre el yodo y el hexano? Dipolo instantáneo-dipolo inducido por ser no polares. e) Describe lo que observaste en el tubo que contenía yodo y hexano al agregar la acetona: Al principio la disolución presentaba un color lila, después cambio a un color ámbar como el de yodo con acetona. f) ¿Cuál de las dos posibles interacciones predomina y que explicación sugieres para esta observación? La interacción dipolo-dipolo inducido que hay entre el yodo y la acetona son predominantes, debido a que es mas fuerte que la que hay entre el yodo con el hexano. g) Después de realizado este experimento, ¿qué opinión tienes acerca de la conocida regla empírica “lo similar disuelve a lo similar”? Que no siempre se cumple esta regla, así como en la pregunta anterior, porque aunque el yodo y el hexano tenían una polaridad similar, influyeron mas las fuerzas intermoleculares que hay entre ellos. 6.- En un tubo de ensaye coloca un pequeño cristal de yodo. Agrega 1 mL de agua e intenta disolver el cristal, agitando vigorosamente. Separa el agua colocándola en otro tubo. A este último (agua amarillenta), adiciona 1 mL de hexano. Agita y observa. a) ¿Qué pasó? Primeramente, el yodo junto al agua no se disolvió por completo, pero después el agua tomó un color amarillo/naranja, en seguida dque se agrego el hexano se dividió en dos fases, la fase superior tomo un color lila. b) ¿Por qué? Esto se debe a que las interacciones de puentes de hidrógeno en el agua son bastante fuertes, por lo que estas interaccionan entre si, y no como en le caso del yodo, que cuando a este se le agrega hexano estos dos

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comienzan a tener una interacción dipolo instantáneo-dipo inducido y se forman dos fases. - 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. Tubo 1 KI + H2O → K+1 + I-1 (solución incolora) Tubo 2 I2 + H2O → (agua amarilla sin disolución de yodo) INFORMACION: la reacción que se lleva a cabo es K+ + I- + I2 → K+ I3-1 a) ¿Qué tipo de interacción es la que da origen a la especie I3-? Una interacción ion-dipolo inducido. (b) Al mezclar el contenido de los tubos 1 y 2 qué color observaste UN color café/marrón. 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: Cuando se agrega una cantidad superior de KI, las interacciones de tipo ion-dipolo inducido subieron y como estas interacciones son muy fuertes, al momento de encontrarse interacciones de fuerza mayor, su solubilidad aumentó. 9.- En términos de fuerzas intermoleculares, ¿cuándo es posible disolver una sustancia en otra? Cuando las interacciones de un compuesto son mas fuertes que la sustancia que va a disolver, o bien si tiene similitud. 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:

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a) Ahora agrega 1 mL de éter etílico y registra lo que observaste.

Se formaron dos fases, la fase superior es de acetilacetonato de hierro (lll) que se disuelve por completo con el éter etílico y toman un color naranja-rojizo, mientras que el agua continua con un color naranja intenso. b) Finalmente, agrega NaCl, agita y anota tus observaciones. Agregado el NaCl logra que la fase acuosa pueda disolver un poco del acetilacetonato de hierro (lll) tomando un color naranja aún más intenso. c) Considerando las interacciones intermoleculares, ¿cómo podrías explicar lo que observaste? El acetilacetonato de hierro (lll) y el éter etílico no son polares, por ellos son miscibles entre ellos y se separan del agua. Al encontrar la presencia de los iones agregados se inducen dipolos y cambia la solubilidad. Para pensar... 11.- Si las interacciones ion-ion son mucho más fuertes que las interacciones iondipolo, ¿por qué muchos compuestos iónicos son solubles en agua? Debido a que el disolvente minimiza la energía de red cristalina y por ende se producen interacciones intermoleculares de tipo ion-dipolo.

REFERENCIAS. Chang, R. Química. Editorial Mc Graw Hill, décima edición, México, 2010...