Energías de Interacción Tema 7 Química General e Inorgánica A Química General e Inorgánica I Química General

7.1 Fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas Fuerzas intramoleculares mantienen juntos a los átomos en una molécula fuerza intermolecular vs. fuerza intramolecular 41 kJ para evaporar 1 mol de agua (inter) 930 kJ para romper todos los enlaces O-H en 1 mol de agua (intra) Por lo general, las fuerzas intermoleculares son mucho más débiles que las fuerzas intramoleculares “Medida” de fuerza intermolecular punto de ebullición punto de fusión  H vap  H fus  H sub Fuerzas intermoleculares

Ecuación General = Modelo de interacción E. I. = - A r m + B r nr n A y B: son constantes que dependen del tipo de partículas involucradas m y n: dependen del tipo de interacción “r” es la distancia entre las partículas Energías de Interacción Las propiedades macroscópicas de la materia dependen de las interacciones que se producen a nivel molecular entre las partículas que la constituyen Se entiende por partículas a iones, átomos o moléculas 7.2

Energías de Interacción 7.3

Clasificación de las Interacciones Interacciones iónicas: Interacción ión-ión Interacción ión-dipolo Interacción ión-dipolo inducido Interacciones de Van der Waals: Interacción puente hidrógeno Interacción dipolo-dipolo Interacción dipolo-dipolo inducido Interacción dipolo inducido-dipolo inducido E Cuando aumentan las energías de interacción aumentan las propiedades macroscópicas (densidad, viscosidad, puntos de fusión y ebullición, etc.), excepto la presión de vapor que disminuye 7.4

7.5 En esta interacción las partículas participantes son iones q 1 es la carga en el catión q 2 es la carga en el anión r es la distancia entre los iones Energía reticular (E r ) es la energía que se libera cuando se forma un mol de un compuesto iónico cristalino E r = - N | n + n - | q 1 q 2 M r M es la constante de Madelung 1) Interacción ión-ión Interacciones iónicas

Compuesto Energía reticular MgF 2 MgO q = +2,-1 q = +2,-2 LiF LiCl r F < r Cl  carga = - carga ión V ión Densidad de carga La energía reticular aumenta - cuando q aumenta - cuando r disminuye 7.6 Energía reticular

Los compuestos iónicos cristalinos son una combinación de cationes y aniones que permanecen unidos por fuerzas atractivas red cristalina de NaCl 7.7 Energía reticular

Tipos de cristales cristales iónicos Se mantienen juntos por la atracción electrostática altos punto de fusión CsClZnSCaF 2 7.8

Tipos de cristales cristales moleculares Se mantienen unidos por fuerzas intermoleculares de Van der Waals, por lo tanto son mucho más débiles bajos punto de fusión 7.9 cuarzo cristalino SiO 2 (dipolo-dipolo) Otros ejemplos: CH 4 (dipolo inducido-dipolo inducido) H 2 O (puente hidrógeno) SO 2 (dipolo-dipolo)

7.10 interacción ión-dipolo 2) Interacción ión-dipolo En esta interacción paticipan un ión y una molécula polar El dipolo se va a orientar en función de la carga del ión

E hid.  -  q r 2 La energía de hidratación aumenta - cuando q aumenta - cuando  aumenta - cuando r disminuye El fenómeno por el cual interaccionan los iones de un cristal con las moléculas polares de un disolvente se denomina solvatación Cuando el disolvente es agua se denomina hidratación 7.11 Energía de hidratación

Hidratación es el proceso en el que un ión se rodea de moléculas de agua ordenadas de manera específica La hidratación depende de la carga del ión y de su volumen (densidad de carga) 7.12 H2OH2O Energía de hidratación

El proceso de disolución para el NaCl ΔH disolución = Paso 1 + Paso 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol 7.13 Iones Na + y Cl - en estado gaseoso Calor de hidratación Energía reticular Paso 1 Paso 2 Calor de disolución Iones Na + y Cl - en estado sólido Iones Na + y Cl - hidratados

Fuerzas de inducción Son fuerzas de atracción que se producen porque la nube electrónica del átomo o molécula no polar se distorsiona generando dipolos inducidos 7.14 Interacción ion-dipolo inducido Dipolo inducido Catión 3) Interacción ión-dipolo inducido Es la interacción entre un ión y una molécula no polar o un átomo neutro

Fuerzas de inducción 7.15 Polarizabilidad (  ) es la facilidad con que la nube electrónica de un átomo o molécula puede distorsionarse La polarizabilidad aumenta cuando: mayor es el número de electrones más difusa es la nube electrónica Las fuerzas de inducción normalmente aumentan con la masa molar

pentano pentadecano octadecano Fuerzas de inducción C 5 H 12 C 15 H 32 C 18 H

E. I.  - q  r 4 La energía de interacción ión-dipolo inducido aumenta - cuando q aumenta - cuando  aumenta - cuando r disminuye Ejemplo: I 2 no se disuelve en agua I 2 (s) + I - (ac) → I - 3 (ac) solución pardo oscura ión- dipolo inducido 7.17 Fuerzas de inducción

E. I. = - A r m + B r nr n Potencial de Lennard-Jones o potencial 6-12 cuando m = 6 y n = 12 Interacción puente hidrógeno Interacción dipolo-dipolo Interacción dipolo-dipolo inducido Interacción dipolo inducido-dipolo inducido E Interacciones de Van der Waals Este tipo de interacciones se producen entre átomos neutros o moléculas polares o no polares. No participan iones 7.18

1) Interacción dipolo-dipolo Corresponde a la fuerzas de atracción entre moléculas polares Fuerzas de orientación: orientación de moléculas polares 7.19

fuerzas de orientación moléculas polares 7.20 BrCH 3 Interacción dipolo-dipolo

E. I.  -  r 6 Energía de interacción dipolo-dipolo aumenta - cuando  aumenta - cuando r disminuye - cuando T disminuye E. I. = - 2  4 3 K B T r 6 + B r 12 Todas las fuerzas de interacción son afectadas por la temperatura Interacción dipolo-dipolo El efecto es más notable en la interacción dipolo-dipolo, porque al aumentar la temperatura, aumenta la agitación molecular dificultando la orientación de los dipolos, y por lo tanto disminuye la energía de interacción 7.21

2) Interacción dipolo-dipolo inducido Esta interacción se establece entre una molécula polar y un átomo neutro o molécula no polar E. I.  -   r 6 La energía de interacción dipolo-dipolo inducido aumenta - cuando  aumenta - cuando  aumenta - cuando r disminuye Fuerzas de inducción la molécula polar genera dipolos inducidos en la molécula no polar Ejemplo: esta interacción permite que los gases no polares como N 2, O 2 e H 2 se disuelvan en líquidos polares como el agua 7.22

3) Interacción dipolo inducido-dipolo inducido Esta interacción se establece entre dos átomos neutros o dos moléculas no polares Fuerzas de dispersión de London la nube electrónica de un átomo neutro es móvil y al cambiar de posición genera dipolos instantáneos en el otro átomo neutro o molécula no polar 7.23 moléculas no polares fuerzas de dispersión

E. I.  -  r 6 La energía de interacción dipolo inducido-dipolo inducido aumenta: - cuando  aumenta - cuando r disminuye Ejemplo: esta interacción es la que permite la licuación de sustancias no polares como los gases nobles y los hidrocarburos Interacción dipolo inducido –dipolo inducido 7.24

S O O ¿Qué tipo de fuerzas intermoleculares existe entre cada una de las moléculas siguientes? HBr es una molécula polar. Interacción dipolo-dipolo También contribuyen las fuerzas de dispersión (dipolo inducido-dipolo inducido) pero en menor proporción CH 4 es no polar. Interacción dipolo inducido-dipolo inducido (fuerzas de dispersión) SO 2 es una molécula polar Interacción dipolo-dipolo. Hay también menor contribución de las fuerzas de dispersión 7.25 Las interacciones de orientación, de inducción y de dispersión no se manifiestan en forma individual, sino que aparecen en conjunto

4) Puente de hidrógeno (enlace de hidrógeno) 7.26 El enlace de hidrógeno es una interacción especial dipolo-dipolo. El átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo muy electronegativo (O, N, ó F) interacciona por atracción electrostática formando un puente hidrógeno A H … B A y B son N, O, ó F HF acido acético (dímero)

++ O H H -- -- O H H puente de hidrógeno INTERMOLECULAR hidrógeno protónico Puente de hidrógeno 7.27

puente de hidrógeno INTERMOLECULAR O-H Cl O-H Cl puente de hidrógeno INTRAMOLECULAR orto-clorofenol Punto de fusión = 0°C para-clorofenol Punto de fusión = 41°C Energía de interacción puente de hidrógeno aumenta: - cuando aumenta la asociación molecular - cuando aumenta la basicidad del átomo aceptor (O, N, F) 7.28 Puente de hidrógeno

Estructura de las proteínas 7.29 Carbono Nitrógeno Oxígeno Grupo R Hidrógeno La estructura proteica se mantiene por los enlaces de hidrógeno intramoleculares (………)

¿Por qué el enlace de hidrógeno se considera una interacción “especial” dipolo-dipolo? Masa molar decreciente Punto de ebullición decreciente 7.30 Punto de ebullición Grupo 6A Grupo 7A Grupo 5A Grupo 4A Período

Puente de hidrógeno El hielo es menos denso que el agua estructura tridimensional del hielo máxima densidad del agua 4 0 C 7.31

Puente de hidrógeno AGUA BENCENO 7.32

Estrategia de trabajo 1)Identificar si las especies que interaccionan son iones Las interacciones iónicas son las más fuertes 2) Identificar si las especies que interaccionan tienen un hidrógeno protónico Los enlaces de hidrógeno son las interacciones más fuertes dentro de las de Van der Waals 3) Determinar si la especie que interacciona es polar o no polar Cuando la molécula es polar la interacción es del tipo dipolo Si la molécula es no polar, la interacción es del tipo dipolo inducido Recordar: - cuando aumenta la energía de interacción aumentan las propiedades macroscópicas (menos la presión de vapor) - cuando aumenta la temperatura, disminuyen las interacciones y por lo tanto disminuyen las propiedades macroscópicas 7.33