Fuerzas intermoleculares y propiedades

a) El $\text{NH}_3$ forma enlaces de hidrógeno; el $\text{CH}_4$, no.

El amoniaco tiene hidrógeno unido directamente al nitrógeno, un átomo pequeño, muy electronegativo y con un par de electrones solitario. Se cumplen así las tres condiciones del enlace de hidrógeno:$$\text{H}\!-\!\text{N}\cdots\text{H}\!-\!\text{N}$$El metano, en cambio, es una molécula tetraédrica y apolar: los enlaces $\text{C}\!-\!\text{H}$ son poco polares y la simetría anula cualquier dipolo. Solo presenta fuerzas de dispersión de London, muy débiles.$$T_{eb}(\text{NH}_3) = -33\ ^\circ\text{C} \; > \; T_{eb}(\text{CH}_4) = -161\ ^\circ\text{C}$$b) El $\text{C}_2\text{H}_6$ es mayor y más polarizable que el $\text{CH}_4$.

Ambos son hidrocarburos apolares, así que las dos sustancias presentan el mismo tipo de fuerza intermolecular: dispersión de London. La diferencia es de intensidad.

Las fuerzas de dispersión se deben a dipolos instantáneos, y son tanto más intensas cuanto mayor es la nube electrónica y más fácil de deformar (más polarizable):$$M(\text{CH}_4) = 16 \; < \; M(\text{C}_2\text{H}_6) = 30 \qquad\Longrightarrow\qquad \text{dispersión más intensa en el etano}$$$$T_{eb}(\text{CH}_4) = -161\ ^\circ\text{C} \; < \; T_{eb}(\text{C}_2\text{H}_6) = -89\ ^\circ\text{C}$$Es la tendencia general dentro de una serie homóloga: al aumentar el número de carbonos suben los puntos de fusión y ebullición.

c) Enlaces $\sigma$ y $\pi$ en el $\text{N}_2$ y el $\text{O}_2$.

Nitrógeno. Cada átomo aporta 5 electrones de valencia y necesita 3 para el octeto: forman un triple enlace.$$\text{N}\!\equiv\!\text{N} \qquad\Longrightarrow\qquad \mathbf{1\ \sigma} \; \text{y} \; \mathbf{2\ \pi}$$Oxígeno. Cada átomo aporta 6 electrones y necesita 2: forman un doble enlace.$$\text{O}\!=\!\text{O} \qquad\Longrightarrow\qquad \mathbf{1\ \sigma} \; \text{y} \; \mathbf{1\ \pi}$$El triple enlace del $\text{N}_2$ es extraordinariamente fuerte ($945\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$), lo que explica su inercia química y la dificultad de fijar el nitrógeno atmosférico.