Fuerzas Intermoleculares y Solubilidad

 

FABELA PEREZ IVAN ANTONIO GRUPO: 19

Fuerza Fue rzas s in termoleculare termoleculares s y solubi lidad Pregunta Pre gunta a responder al final de la sesión: En términos de fuerzas intermoleculares, ¿cuándo es posible disolver d isolver 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, Adic ionalmente, 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-dip Dipolo-dipolo olo Fuerzas de Keesom

•

  Ion-dipolo inducido

•

  Dipolo-dipol Dipolo-dipolo o inducido Debye

•

  Dipolo instantáneo-dipolo instantáneo-dipol o 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

Covalente

a

Intensidad

Función energíaenergía-distancia distancia

Muy fuerte

Compleja, pero comparativamente de largo alcance

Iónica a 

Muy fuerte

1/r, comparativamente de largo alcance 

Dipolo- dipolo

Fuerte

1/r 2, de corto alcance

Ion-dipolo NaCl + H2O →Na+1 + Cl-1 

Moderadamente fuerte

1/r 3, de corto alcance

Ion-dipolo inducido

Débil

1/r 4, de muy corto alcance

Muy débil

1/r 5, de alcance extremadamente corto

Dipolo-dipolo inducido.

Extremadamente débil Dipolo instantáneo-dipolo inducido

1/r 6, 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-d instantáneo-dipolo ipolo inducido

 

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ter-éter Acetona-acetona Metanol-metanol Agua-agua

Dipolo instantáneo-d instantáneo-dipolo ipolo 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  BIPOLAR  ter NO POLAR  POLAR  Metanol

ter NO POLAR   POLAR V

Metanol BIPOLAR BIPOLAR   V

Hexano NO POLAR   POLAR V

H2O POLAR POLAR  

V

V

x

V

V

BIPOLAR BIPOLAR  Hexano NO  POLAR   POLAR

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

Tipo de interacción

AcetonaAceton a- ter ter Acetona-Metanol Acetona-Hexano Acetona-Agua ter-Metanol Éter-Hexano ter-Agua Metanol-Hexano Metanol-Hex ano Metanol-Agua Hexano-Aguua

Dipo Dipololo-dip dipolo olo 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 es la fase orgánica. or gánica.

b) ¿Cómo puedes explicarlo? Para la acetona y agua dipolo-dipolo, ya que son las mas fuertes que las de acetona-é ace tona-éter ter ya que este últi mo es no po lar.

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 pr inci in ci pi o se obser ob servan van dos do s fas es, cu ando and o se agr ega mas acetona se comienza a homogenizar.

b) ¿Por qué? Esto se debe a que la aceton acetona a se disuelve disuelv e tanto en agua com o en éterr y al haber éte haber un exceso de acetona acetona esta solventará al éte éterr y podrá co existir 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 u na disolució n de color ámbar muy intenso.

b) ¿Qué tipo de interacción intermolecular se manifiesta entre el yodo y la acetona? Dipolo-dipolo Dipolodipolo i nducido por ser no polar.

c) Describe lo que observaste en el tubo que contiene yodo y hexano

 

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 →  −     d) ¿Qué tipo de interacción intermo intermolecular lecular se presenta entre el yodo y el hexano? Dipolo inst antáneo-dipolo antáneo-dipolo in ducid o por ser no polares.

e) Describe lo que observaste en el tubo que contenía yodo y hexano al agregar la acetona:  Al pr prin in ci pi o la l a diso di solu luci ci ón presen pr esentab taba a un colo co lo r l il a, desp ués cambi cam bio o a un u n col c ol or 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 p redominantes, debido a que es mas fuerte que la que hay entre el el yod o 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 cumpl e esta esta regla, así así como en l a pregunta anterior, anterior, por que aunque el el yod o y el hexano tenían una polaridad similar, influyeron mas las fuerzas intermol eculares eculares qu e 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 las in teraccio teraccio nes de puentes de hidróg eno en el agua son bastante fuertes, por lo que estas interaccionan entre si, y no como en le caso del yodo, qu e cuando a este se le agrega agrega hexano hexano estos d os

 

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comienzan a tener una interacción dipolo instantáneo-dipo inducido y se forman dos fases.

- Disuelve otro cristalito c ristalito 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 induc ido subieron y como estas interacciones son m uy fuertes, al momento d e encontr encontr arse interacciones de fuerza fuerza mayor, su solubilidad aumentó.

9.- En términos de fuerzas intermoleculares, ¿cuándo es posible disolver una sustancia en otra? Cuando Cua ndo las in teracciones de un compu esto son mas fu ertes que la sus tancia que va a disolver, o bien si tiene similit ud. 10.- “Torito” experimental: 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: observaciones:

 

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

Se formaron dos fases, fases, la fase superior es de acetilacetonato acetilacetonato d e hierro (lll ) que se disuelve por completo con el éter etílico y toman un color naranja-rojizo, mientras que el agua agua contin ua con un c olor naranja intenso.

b) Finalmente, agrega NaCl, agita y anota tus observaciones.  Agreg  Ag regado ado el NaCl logr lo gra a que qu e la fase fas e acuos acu osa a pueda pu eda diso di so lver lv er un poco po co del acetilacetonato ace tilacetonato de hierro (lll) tomando un color naranja aún más intenso.

c) Considerando las interacciones intermoleculares, ¿cómo podrías explicar lo que observaste? El acetilacetonato acetilacetonato de hierro (lll) y el éter etílico etílico no son polares, por ellos son misc ibles entre ellos y s e separan separan del agua. agua. Al encontrar l a presencia presencia de los iones agregados agregados se induc en dipolos y c ambia la solub ilidad.

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 De bido a que el disolv ente minimi za la energía energía de red red cr istalina y por ende se producen interacciones intermoleculares de tipo ion-dipolo.

REFERENCIAS. Chang, R. Química. Editor ial Mc Graw Hill, Hill , décima edic ión , Méxic México, o, 2010 2010