Fuerzas intermoleculares

	Autores: Silvia Cerdeira, Helena Ceretti y Eduardo Reciulschi. Responsable disciplinar: Silvia Blaustein. Área disciplinar: Química. Temática: Interacciones entre partículas de diferentes materiales y relación con sus polaridades. Nivel: Secundario, ciclo básico. Secuencia didáctica elaborada por Educ.ar.

Propósitos generales

• Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.

• Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.

• Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.

Introducción a las actividades

Dentro de una sustancia, los átomos están unidos mediante fuerzas intramoleculares (enlaces iónicos, metálicos o covalentes). Estas fuerzas son las que determinan las propiedades químicas de las sustancias, ya que son las que se alteran durante un cambio químico (o reacción química).

Para describir algunas propiedades físicas, como el estado de agregación o la temperatura de ebullición de una sustancia, se necesita considerar la energía o la fuerza que mantiene unidas las partículas entre sí. Estas fuerzas entre partículas se denominan fuerzas o interacciones intermoleculares, y actúan entre partículas iguales, en el caso de una sustancia pura, o partículas diferentes, en una mezcla. Por lo general son fuerzas débiles comparadas con las intramoleculares, pero como son numerosas, su contribución es importante.

Objetivos de las actividades

Que los alumnos:

    • utilicen modelos y programas para representar sustancias y sus interacciones;

    • reconozcan tipos de interacciones intermoleculares de acuerdo con la polaridad de las sustancias.

Actividad 1. Modelos y fuerzas intermoleculares entre sustancias polares

Los átomos y las moléculas son eléctricamente neutros. Los compuestos iónicos tienen cationes y aniones con carga neta. Las moléculas polares tienen un dipolo, es decir una parte o zona positiva y una negativa.

Las partículas con carga del mismo signo se repelen y las que tienen signo contrario se atraen. Esta interacción entre partículas cargadas se denomina fuerza de interacción electrostática. La interacción electrostática depende de la cantidad de cargas y de la distancia entre ellas. Esta fuerza será mayor cuanto más carga tengan las partículas y cuanto más cerca estén.

Si se acercan dos moléculas polares, la zona positiva de una de ellas atraerá la zona negativa de otra, y las zonas de igual carga se mantendrán lo más alejadas posibles. Este tipo de interacciones son conocidas como interacciones dipolo-dipolo permanente. Cuanto mayor sea la polaridad de las moléculas, mayor será esta interacción.

Un caso particular de estas interacciones es el que ocurre entre grupos que contienen un átomo muy electronegativo (oxígeno, nitrógeno, flúor) unido a un átomo de hidrógeno, como en el caso de la molécula de agua. Como la polaridad de estas moléculas es muy grande, a esta interacción dipolo-dipolo se le da un nombre especial: interacción por puente de hidrógeno.

Parte A. Polaridad de la molécula de agua

Utilicen el programa Avogadro para armar una molécula de agua y elijan la opción de mínima energía. Revisen los ángulos entre los átomos que la componen y la longitud de la unión. Calculen la polaridad de la molécula.

Parte B. Interacción entre dos moléculas de agua

Con el mismo programa y en la misma pantalla que la anterior, agreguen otra molécula de agua y repitan la operación para la segunda molécula. Revisen la orientación de una molécula respecto de la otra.

Parte C. Modelos moleculares

Realicen el siguiente procedimiento:

Materiales

            • Pelotitas de telgopor de diferentes tamaños
            • Velcro
            • Escarbadientes
            • Caja de cartón con tapa

Procedimiento

c.1. Repitan la experiencia cinco veces. ¿Obtuvieron siempre los mismos resultados? ¿Cuántas moléculas se agruparon cada vez?

c.2. Utilicen el programa Word o Writer de sus equipos portátiles y elaboren una tabla con los resultados. Traten de explicarlos teniendo en cuenta las fuerzas intermoleculares.

Actividad 2. Fuerzas intermoleculares entre moléculas no polares

Muchas moléculas no polares no tienen zonas con carga neta. Algunas de ellas como el hexano (nafta) son líquidos a temperatura ambiente, lo que indica la presencia de fuerzas de atracción entre las partículas.

Las moléculas no polares, igual que todas las moléculas, tienen una nube electrónica que las rodea. Cuando dos de estas moléculas se aproximan, las nubes electrónicas de ambas se repelen deformándose. Una de estas moléculas, con una distribución de carga eléctrica desigual por un corto período de tiempo, puede inducir un dipolo en una molécula vecina por un proceso llamado polarización. Incluso los átomos de los gases nobles, las moléculas de gases diatómicos, como el oxígeno, el nitrógeno y el cloro (que son no polares), y las moléculas de hidrocarburos no polares, como el CH₄, producen estos dipolos instantáneos.

Estas interacciones son similares a las descritas para dipolos permanentes, pero mucho más débiles, debido a que la separación de carga que se produce es muy pequeña. A estas interacciones se las conoce como fuerzas de dispersión o de London (en honor a Fritz London, 1930).

Estas fuerzas están presentes en todas las sustancias, pero son las únicas presentes en moléculas no polares. Suelen ser débiles, aunque su magnitud dependerá de la facilidad que tenga la molécula para polarizarse. Cuanto mayor sea el número de electrones, mayor será la facilidad para polarizarse. Es decir que cuanto más grande sea la molécula, tendrá más electrones y, por lo tanto, se polarizará más. Por eso, el metano (CH₄) se polarizará menos que el hexano (C₆H₁₄).

Para poder visualizar este proceso, pueden consultar la página Polarizabilidad, en educaplus, que muestra datos de polarizabilidad de diferentes compuestos, y qué le pasa a la nube electrónica de una molécula en presencia de un ión o un dipolo, es decir, de un campo eléctrico.

A continuación, se presentan cuatro sustancias covalentes diferentes:

        Dióxido de carbono (CO₂).
        Metano (CH₄).
        Cloro (Cl₂).
        Hexano (C₆H₁₄, CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃).

a) Utilicen las herramientas del programa Avogadro para armar la estructura de todas ellas; minimizar la energía; encontrar los ángulos entre las uniones y determinar la polaridad.

b) ¿Qué tipo de interacciones actúan entre las moléculas de cada una de estas sustancias?

Los puntos de ebullición de ellas son los siguientes:

c) Completen una tabla como la anterior y expliquen la diferencia en los puntos de ebullición.

Actividad 3. Integradora

a) Consideren las siguientes sustancias y completen una tabla como la siguiente, utilizando las herramientas del programa Writer de sus equipos portátiles

• Utilicen la tabla periódica interactiva EQTabla, para buscar las electronegatividades de los elementos que forman las sustancias y para calcular la polaridad de las uniones.
• También en la tabla, busquen el grupo al que pertenecen los elementos y el número de electrones en el último nivel energético.
• Realicen un diagrama de Lewis de todas ellas y predigan la geometría molecular esperada.
• Estimen si las sustancias serán polares o no.
• Utilicen el programa Avogadro como en los casos anteriores. Comprueben sus conclusiones.
• Expliquen, sobre la base de sus resultados, las fuerzas intermoleculares que actúan entre estas sustancias.

Sustancia	Polaridad de las uniones	Geometría molecular	Polaridad de la molécula	Fuerzas intermoleculares
H2S, ácido sulfhídrico
I2, yodo
NH3, amoníaco
Ar, argón
HF, ácido fluorhídrico
CH3Cl, clorometano
H2O, agua

b) Utilicen el programa CmapTools de sus equipos portátiles para construir un diagrama similar al siguiente, en el que se agrupen las fuerzas intermoleculares y los ejemplos de sustancias (por ejemplo, las de la tabla anterior), para cada una de ellas.

Anexo 1