Fuerzas intermoleculares y propiedades físicas de las sustancias 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 propiedades
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 evaluaci
Introducción a las actividades Para poder describir ciertas propiedades de la materia, como los estados de agregación, la temperatura de ebullición y la temperatura de fusión, es necesario considerar las fuerzas que mantienen unidas a las partículas que constituye n cada una de las sustancias. A estas fuerzas las denominamos interacciones intermoleculares. Entre dos partículas de la misma sustancia se establecen fuerzas de atracción y de repulsión. La interacción neta entre estas partículas resultará del balance entre estos dos tipos de fuerzas. Esta energía de interacción entre partículas es mucho menor que la involucrada cuando se rompe una unión química (dentro de la sustancia). Cuando se vencen estas interacciones intermoleculares no se produce un cambio en la composición química del sistema, por lo tanto, determinan propiedades físicas de las sustancias. La magnitud de estas interacciones determinará, por ejemplo, la temperatura de ebullición y de fusión de la sustancia y, por lo tanto, su estado de agregación. Dentro de este tipo de interacciones se pueden mencionar: Interacciones dipolo-dipolo permanentes. Interacciones dipolo-dipolo momentáneas. Interacciones puente de hidrógeno. Interacciones combinadas entre las anteriores y de todas ellas con iones. (Ver: Secuencia didáctica, fuerzas intermoleculares I).
Objetivos de las actividades Que los alumnos:
reconozcan él o los tipos de interacciones intermoleculares presentes de acuerdo con la polaridad de las sustancias; relacionen las propiedades macroscópicas de una sustancia con su polaridad y las fuerzas intermoleculares que actúan entre sus partículas; predigan interacciones entre partículas de diferentes sustancias.
Actividad 1. Fuerzas intermoleculares, punto de ebullición, punto de fusión y estado de agregación La temperatura de ebullición de una sustancia se define como la temperatura a la que dicha sustancia cambia del estado líquido al gaseoso. Si la presión am biente es de 1 atmósfera, se la denomina temperatura de ebullición normal. Cada sustancia pura tiene una temperatura de ebullición característica, y esta será mayor cuanto mayor sea la energía de interacción entre las partículas del líquido. Por otra parte, la temperatura de fusión de una sustancia es la temperatura a la que una sustancia sólida pasa a l estado líquido. La temperatura de fusión también depende de la presión atmosférica, pero las variaciones son menores que en el caso de la temperatura de ebullición. Su valor dependerá también de la fuerza de l as interacciones entre las partículas. La siguiente simulación permite observar los cambios macroscópicos y microscópicos que ocurren durante los cambios de estado para el agua: Cambios de estado. 1. Los puntos de ebullición de los compuestos formados entre el hidrógeno y los elementos del grupo VIA son: Agua (H2O) 100 ºC. Sulfuro de hidrógeno (H 2S) -60,8 ºC. Seleniuro de hidrógeno (H 2Se) -41,5 ºC. Telururo de hidrógeno (H 2Te) -1,8 ºC. a) Utilicen la
tabla periódica interactiva para buscar las electronegatividades de todos los elementos. Sobre la
base de estos valores, calculen las polaridades de cada enlace. b) Usen el programa Avogadro para predecir la forma y polaridad de las moléculas (pueden consultar la secuencia didácticaUniones covalentes III). ¿Cuáles son las fuerzas intermoleculares actuando entre ellas ? (pueden consultar la secuencia didáctica Fuerzas intermoleculares I). Justifiquen los puntos de ebullición encontrados. c) Grafiquen el punto de ebullición de las sustancias en función del número total de electrones en la molécula, utilizando el programa Calc de sus equipos portátiles. ¿Si graficasen las mismas variables para los compuestos entre el hidrógeno y los elementos del grupo VIA, encontrarían el mismo patrón? Justifiquen las diferencias. 2. Utilicen las herramientas del programa Writer de sus equipos portátiles, para armar una tabla con las siguientes columnas. Complétenla. Si es posible, incorporen fotos o diagramas de las sustancias mencionadas.
Sustancia con uniones
Iónicas
Estructura
Extendida, formada por cationes y aniones
Ejemplo
NaCl
Tipo de interacción entre partículas
Fuerzas electrostáticas. Ión (+)/Ión (-)
Estado de agregación a temperatura ambiente (20 ºC) Sólido
Metálica
Extendida, formada por cationes y electrones libres
Covalente polar con
Líquido
un H unido a Oxígeno Covalente polar sin H
CHCl3
unido a Oxígeno Covalente no polar
Cl 2
Actividad 2. Punto de ebullición y fusión en el laboratorio Realicen el siguiente experimento en el laboratorio, para medir el punto de ebullición y de fusión del agua. Hagan cubitos de hielo con agua destilada. Coloquen dentro de un vaso de precipitados 5 ó 6 cubitos de hielo. Pongan un termómetro entre ellos. Coloquen el vaso de precipitados sobre una tela metálica ubicada sobre un trípode metálico. Utilicen un mechero (por ejemplo, de Bunsen) para comenzar a calentar el sistema. Nota: el vaso de precipitados se calentará, por lo tanto pueden utilizar una agarradera de coc ina o un broche de madera para sostenerlo y no quemarse. Agiten con cuidado utilizando una varilla de vidrio. Tomen la temperatura cada 30 segundos hasta que hierva el agua. a) Utilicen las herramientas del programa Calc para hacer una tabla de temperatura (ºC) y tiempo (segundos). Usen esta tabla y seleccionen el gráfico de dispersión xy, y tracen la curva correspondiente. Determinen los puntos de ebullición y fusión del agua utilizando el gráfico. b) Repitan el experimento con agua de la canilla y comparen las temperaturas obtenidas. ¿Qué efecto causa sobre el punto de ebullición y el punto de fusión la presencia de s ustancias disueltas?
Actividad 3. Integradora Si se mezclan dos sustancias, se tienen dos posibilidades: Se forma un sistema homogéneo, es decir, las propiedades de la mezcla son iguales en todas sus porciones y no se pueden distinguir los componentes que las forman a simple vista; Se forma un sistema heterogéneo, es decir, un sistema que está formado por diferentes fases y las propiedades de cada una de ellas son diferentes. Que se forme un tipo de sistema u otro dependerá de la comparación entre las fuerzas que actúan entre las partículas de cada una de las sustancias y las que pueden establecerse entre partículas diferentes si se mezclan. Los factores que influyen (energéticos y de desorden) son muchos, pero esta actividad se centrará en el tipo de fuerzas intermoleculares de cada una de las sustancias. Las sustancias polares presentan interacciones del tipo dipolo–dipolo y, por lo tanto, tenderán a mezclarse con otras sustancias que sean capaces de establecer interacciones similares a las ya existentes. Se sabe, por la experiencia
cotidiana, que el agua y el aceite no se mezclan. El agua presenta fuertes interacciones puente de hidrógeno entre sus moléculas, además de interacciones dipolo-dipolo y de dispersión. E l aceite está formado por moléculas cuya polaridad es muy baja y, por lo tanto, las interacciones entre ellas serán principalmente del tipo dipolo inducido (interacción de dispersión o de London). Las interacciones presentes entre moléculas de agua son muy diferentes a las que se dan entre moléculas de aceite, por lo tanto, estas permanecerán unidas entre sí y ambos líquidos no podrán mezclarse. Para comprobar qué tipo de interacciones s e establecen entre diferentes tipos de líquidos, formen grupos de 4 estudiantes para realizar la siguiente experiencia: a) Tomen 3 líquidos: agua (destilada o desionizada), etanol (alcohol de la farmacia) y nafta (también puede utilizarse kerosén o aguarrás). Coloquen porciones de 2 mL de agua en 2 tubos de ensayo. Agreguen al primer tubo de ensayo 2 ml de etanol. Agiten y anoten cualquier cambio. Repitan el mismo procedimiento pero agregando 2 m L de nafta. Coloquen 2 mL de alcohol en un tubo de ensayo y agreguen 2 mL de nafta. Agiten y observen cualquier cambio. b) Utilicen las herramientas del programa Writer de sus equipos portátiles, para armar una tabla con los resultados observados. c) Usen el programa Avogadro para encontrar la geometría y la polaridad del agua, el etanol y el octano (componente principal de la nafta). (Pueden ver la secuencia didáctica Uniones covalentes III). Establezcan cuáles son las fuerzas intermoleculares entre cada una de ellas (pueden ver secuencia didáctica Fuerzas
intermoleculares I). Interpreten los resultados obtenidos con base en estas últimas. d) Para poder visualizar las posibles interacciones entre diferentes tipos de sustancias, miren la siguiente simulación:
http://www.colegioheidelberg.com/deps/físicaquímicaBAK/applets/Intermoleculares2/intermolec2.htm.
Enlaces de interés y utilidad para el trabajo Actividad: Uniones químicas Actividad: Uniones covalentes I Actividad: Uniones covalentes II Actividad: Uniones covalentes III Actividad: Iones I Actividad: Iones II Actividad: Unión metálica Actividad: Unión iónica Actividad: Fuerzas intermoleculares I Actividad: Solubilidad de sólidos Actividad: Precipitación y ablandamiento de agua
Webgrafía recomendada http://www.colegioheidelberg.com/deps/físicaquímicaBAK/applets/intermoleculares2/intermolec2.htm. Todas las interacciones moleculares.
Enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua . Puentes de hidrógeno molécula de agua. Fuerzas inermoleculares. Presenta todas las estructuras. Tiene preguntas con res puestas interactivas. Las fuerzas entre moléculas. Definiciones, diagramas interesantes, con un diagrama de flujo de resumen (en inglés). Enlaces polares. Gráficos de enlaces polares (en inglés). Fuerzas intermoleculares Polaridad de enlaces y moléculas. Momento dipolar. Polaridad de los enlaces. Polaridad de enlaces y moléculas. Enlaces polares. Polaridad de las moléculas.
