QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Fuerzas intermoleculares y propiedades

Andalucía · 2022 · Junio

Enunciado

Bloque B · B3. Dados los siguientes compuestos:

\text{NaF}

\text{CH}_4

\text{CH}_3\text{OH}

.

a) Justifique el tipo de enlace interatómico que presentan.

b) Ordénelos razonadamente de menor a mayor punto de ebullición.

c) Justifique la solubilidad de estos compuestos en agua.

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) NaF iónico} \;;\; \text{CH}_4 \text{ covalente apolar} \;;\; \text{CH}_3\text{OH covalente polar}\;}

\boxed{\;\textbf{b) } T_{\text{eb}}: \; \text{CH}_4 < \text{CH}_3\text{OH} < \text{NaF}\;}

\boxed{\;\textbf{c) NaF soluble} \;;\; \text{CH}_4 \text{ insoluble} \;;\; \text{CH}_3\text{OH miscible}\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

El apartado a) es la base de los otros dos: una vez clasificadas las tres sustancias, sus propiedades físicas se deducen de qué hay que vencer para separarlas (apartado b) o para dispersarlas en agua (apartado c).

Y para c), la regla que resume todo el asunto:

Lo semejante disuelve a lo semejante. Los disolventes polares (el agua) disuelven solutos polares e iónicos; los apolares, solutos apolares.

Desarrollo

a) Tipo de enlace interatómico.

$\text{NaF}$ : enlace iónico. Metal alcalino (

\chi = 0{,}9

) con el no metal más electronegativo (

\chi = 4{,}0

\Delta\chi = 3{,}1 \;\gg\; 1{,}7

El sodio cede su electrón

3s

y el flúor lo capta; ambos alcanzan configuración de gas noble. El resultado es una red cristalina de iones

\text{Na}^+

\text{F}^-

.

$\text{CH}_4$ : enlace covalente. Dos no metales con

\Delta\chi = 2{,}5 - 2{,}1 = 0{,}4

: comparten electrones. Molécula tetraédrica y, por simetría, apolar (

\vec{\mu} = \vec 0

).

$\text{CH}_3\text{OH}$ : enlace covalente. También comparte electrones, pero el enlace

\text{O}\!-\!\text{H}

es muy polar (

\Delta\chi = 1{,}4

) y la geometría no lo cancela: la molécula es polar (

\mu = 1{,}7

D).

b) Orden creciente de punto de ebullición.

\text{CH}_4 \;<\; \text{CH}_3\text{OH} \;<\; \text{NaF}

-161\ ^\circ\text{C} \qquad 65\ ^\circ\text{C} \qquad 1\,695\ ^\circ\text{C}

$\text{CH}_4$ : molecular apolar. Solo hay fuerzas de dispersión de London, muy débiles y además pequeñas por su baja masa molar (16).
$\text{CH}_3\text{OH}$ : molecular polar con un hidrógeno unido a oxígeno, así que forma enlaces de hidrógeno entre sus moléculas. Son mucho más intensos que las fuerzas de London, y por eso hierve $226$ grados por encima del metano pese a tener una masa molar parecida (32).
$\text{NaF}$ : iónico. Hervirlo exige romper una red tridimensional de atracciones electrostáticas, con una energía reticular de $923\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ . Es, con enorme diferencia, lo más costoso.

c) Solubilidad en agua.

$\text{NaF}$ : soluble. Las moléculas de agua, muy polares, rodean los iones (

\text{Na}^+

por el oxígeno y

\text{F}^-

por los hidrógenos) y los solvatan. La energía de hidratación liberada compensa la energía reticular:

\text{NaF}(s) \xrightarrow{\;\text{H}_2\text{O}\;} \text{Na}^+(ac) + \text{F}^-(ac)

$\text{CH}_4$ : insoluble (prácticamente). Es apolar: no puede establecer interacciones favorables con el agua, y disolverlo obligaría a romper enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua sin nada que los sustituya. Su solubilidad es de apenas

0{,}022\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}

.

$\text{CH}_3\text{OH}$ : totalmente miscible. Su grupo

-\text{OH}

forma enlaces de hidrógeno con el agua, exactamente los mismos que el agua forma consigo misma. Se mezcla en cualquier proporción.

(Un matiz interesante: los alcoholes de cadena larga, como el butan-1-ol, ya son poco solubles, porque la parte apolar

-\text{C}_4\text{H}_9

pesa más que el

-\text{OH}

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

Consejo

La comparación $\text{CH}_4$ / $\text{CH}_3\text{OH}$ es un ejemplo de manual: masas molares similares (16 y 32) y puntos de ebullición separados por más de doscientos grados. La única explicación es el enlace de hidrógeno, y mencionarlo explícitamente es lo que se valora en b).

Y no digas nunca que el metanol se disuelve "porque es polar" a secas. Lo decisivo es que forma enlaces de hidrógeno con el agua. Hay moléculas polares que no pueden formarlos, como el diclorometano ( $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ , $\mu \approx 1{,}6$ D), y apenas se disuelven en agua.