Fundamentos de Química: Interacciones Moleculares, Enlaces y Propiedades Físicas

Examen 5: Cuestiones Fundamentales de Química

a. Punto de Ebullición: CH4 vs. CH3OH

Cuestión: Indique razonadamente cuál de las siguientes sustancias tendrá mayor punto de ebullición: CH4 y CH3OH.

Respuesta: El CH3OH (metanol) tendrá un mayor punto de ebullición.

Entre las moléculas de CH4 (metano) solo existen fuerzas de Van der Waals (específicamente, fuerzas de dispersión de London), que son interacciones débiles. Mientras que entre las moléculas de metanol, al contener en su estructura un átomo de oxígeno enlazado a uno de hidrógeno, también existen enlaces por puente de hidrógeno. Estos enlaces son fuerzas intermoleculares de mayor intensidad que las fuerzas de Van der Waals.

Por ello, puesto que es necesario vencer una mayor energía de atracción entre las moléculas de metanol que entre las de metano, se requerirá un mayor aporte energético para el cambio de fase líquida a vapor en el caso del metanol, resultando en un punto de ebullición más elevado.

b. Ángulo H-X-H: H2O vs. PH3

Cuestión: Para las moléculas de H2O y PH3, indique razonadamente cuál tendrá mayor ángulo H-X-H.

Respuesta: La molécula de PH3 tendrá un mayor ángulo H-X-H.

En ambas moléculas, el átomo central (O en H2O y P en PH3) dispone de cuatro pares de electrones en su capa de valencia. Sin embargo, la distribución es diferente:

• PH3: 3 pares enlazantes y 1 par no enlazante.
• H2O: 2 pares enlazantes y 2 pares no enlazantes.

Según la Teoría de Repulsiones de Pares de Electrones de Valencia (TRPEV), los cuatro pares de electrones se dirigen hacia los vértices de un tetraedro. No obstante, la repulsión entre pares de electrones no enlazantes es mayor que la repulsión entre pares enlazantes. En el agua, al haber dos pares de electrones no enlazantes, la repulsión es más significativa, comprimiendo el ángulo H-O-H a aproximadamente 104.5°. En el PH3, con solo un par no enlazante, la repulsión es menor, lo que permite un ángulo H-P-H ligeramente mayor (aproximadamente 93.5°), aunque ambos son menores que el ángulo tetraédrico ideal de 109.5°.

c. Polaridad de la Molécula de NH3

Cuestión: Indique razonadamente si la molécula NH3 es polar o apolar.

Respuesta: La molécula de NH3 (amoniaco) es polar.

Esto se debe a que su geometría molecular es piramidal trigonal. Aunque los enlaces individuales N-H son polares debido a la diferencia de electronegatividad entre el nitrógeno y el hidrógeno, los momentos dipolares de estos tres enlaces no se anulan entre sí debido a la asimetría de la molécula y la presencia de un par de electrones no enlazantes en el átomo de nitrógeno. Esto resulta en un momento dipolar neto para toda la molécula, confiriéndole carácter polar.

d. Enlace y Fórmula Molecular: Elementos A y B

Cuestión: Dados los elementos A y B cuyos números atómicos son igual a 4 y 16, respectivamente. Razone el tipo de enlace que se podrá formar entre ellos e indique la fórmula molecular del compuesto resultante.

Respuesta:

• Configuración electrónica:
  • Z(A)=4: 1s² 2s² (Elemento del Grupo 2, Metal Alcalinotérreo)
  • Z(B)=16: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ (Elemento del Grupo 16, No metal)
• Tipo de enlace: Se trata de dos elementos que se encuentran muy separados en la tabla periódica (A en el Grupo 2 y B en el Grupo 16). Tienen, por tanto, propiedades periódicas muy diferentes: A tiende a perder electrones para formar un catión (A²⁺) y B tiende a ganar electrones para formar un anión (B²⁻). Esta transferencia de electrones da lugar a la formación de un enlace iónico.
• Fórmula molecular: Para que el compuesto sea eléctricamente neutro, se necesitará un ion A²⁺ y un ion B²⁻. Por lo tanto, la fórmula molecular del compuesto resultante es AB.

Examen 6: Justificación de Propiedades Físicas

a. Estados de Agregación de Halógenos a 0 ºC y 1 atm

Cuestión: Justifique por qué a 0 ºC y 1 atm de presión, flúor y cloro se hallan en estado gas, bromo en estado líquido y yodo en estado sólido.

Respuesta:

Flúor (F₂), cloro (Cl₂), bromo (Br₂) y yodo (I₂) son moléculas diatómicas con carácter apolar, donde los átomos están unidos a través de un enlace covalente. Entre estas moléculas existen fuerzas de dispersión, también conocidas como fuerzas de dispersión de London. Estas fuerzas se producen como consecuencia de la aparición de momentos dipolares instantáneos dentro de cada molécula, que a su vez inducen dipolos en las moléculas vecinas, generando así fuerzas de atracción del tipo dipolo instantáneo-dipolo inducido.

La intensidad de este tipo de fuerzas aumenta significativamente con el tamaño de las moléculas y, por ende, con el número de electrones. Además, al aumentar la masa molecular, aumenta la inercia de las moléculas en su movimiento. Por ello, los puntos de fusión y ebullición aumentan en el orden F₂ < Cl₂ < Br₂ < I₂, dado que la intensidad de las fuerzas de dispersión es mayor entre las moléculas de yodo y menor entre las de flúor. Esta tendencia explica sus diferentes estados de agregación a las condiciones dadas.

b. Estados de Agregación: Agua (H2O) vs. Sulfuro de Hidrógeno (H2S)

Cuestión: Justifique por qué a 25 ºC y 1 atm de presión, el agua se encuentra en estado líquido y el sulfuro de hidrógeno (H2S) en estado gas.

Respuesta:

Dado que las moléculas de H₂O y H₂S presentan carácter polar, entre ellas aparecen fuerzas intermoleculares del tipo dipolo-dipolo. Sin embargo, la diferencia crucial radica en la presencia de enlaces por puente de hidrógeno en el agua, fuerzas intermoleculares de gran intensidad que no se presentan entre las moléculas de H₂S.

Aunque el H₂S contiene átomos de hidrógeno, el átomo de azufre (S) no es lo suficientemente electronegativo ni de pequeño tamaño como para formar enlaces por puente de hidrógeno significativos. El enlace por puente de hidrógeno solo se forma entre moléculas que contienen hidrógeno enlazado directamente a átomos altamente electronegativos y pequeños como nitrógeno (N), oxígeno (O) y flúor (F).

La elevada intensidad de los enlaces por puente de hidrógeno en el agua requiere mucha más energía para romper estas interacciones y permitir el cambio de fase, lo que provoca que el agua se encuentre en estado líquido en las condiciones de presión y temperatura dadas, mientras que el H₂S, con interacciones dipolo-dipolo más débiles, se encuentra en estado gaseoso.