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Indicadores de logro:
Interpreta el momento dipolar a partir de modelos moleculares.
Efectúa una demostración experimental macroscópica de las fuerzas intermoleculares.
Explica el concepto de las fuerzas intermoleculares.
Así como el enlace covalente puede ser polar y no polar, dependiendo de la diferencia de electronegatividad entre los átomos que lo conforman; las moléculas pueden ser polares o no polares, de acuerdo con la polaridad de sus enlaces y su geometría. Esta polaridad de las moléculas marca la forma en que interactúan unas con otras, a fin de mantenerse unidas, o de repelerse entre sí.
Irene: Para que comprendas mejor cómo interactúan las moléculas entre sí, realicemos la siguiente actividad en parejas.
A. ¿Cuántas gotas de agua caben en una moneda?
Materiales: dos monedas pequeñas, dos goteros y agua potable.
Procedimiento:
Cada persona colocará una moneda pequeña sobre una superficie plana. Las monedas deben ser del mismo tamaño.
Antes de iniciar con el experimento, piensa cuántas gotas de agua pueden caber sobre esa moneda.
Escribe en tu cuaderno de trabajo la cantidad de gotas que estimas que caben en la moneda.
Luego procede al mismo tiempo que tu compañero a depositar despacio y gota a gota el agua sobre la moneda con la ayuda de un gotero; deberás ir contando las gotas.
Ganará quien logre colocar la mayor cantidad de gotas, sin que se derramen.
Finalmente, compara la cantidad de gotas estimadas con las que lograste colocar sobre la moneda.
Teniendo en cuenta la polaridad de sus enlaces y la geometría de la molécula del agua, responde en tu cuaderno de trabajo:
a. ¿A que se debe que esta cantidad de gotas quepa sobre una moneda pequeña?
b. ¿Esto se podría lograr con un líquido como el aceite para cocinar?
Debido a que en las moléculas diatómicas solo hay un enlace covalente (simple o múltiple), la molécula será polar o no polar, dependiendo de la naturaleza de este único enlace.
Sin embargo, en las moléculas poliatómicas la presencia de enlaces polares no implica necesariamente que la molécula sea polar, sino que debemos considerar si la molécula en su conjunto tiene un dipolo, para lo cual tenemos que conocer su geometría.
No olvides que...
El dipolo se orienta del átomo de menor al de mayor electronegatividad.
Los dipolos formados en un enlace polar son vectoriales, lo que significa que tienen tanto magnitud como dirección. La suma vectorial de los dipolos de una molécula da origen a su polaridad; si los dipolos se cancelan la molécula es no polar; si no se cancelan, se obtendrá un dipolo resultante, y la molécula será polar.
B. Determinemos la polaridad de las moléculas
En la siguiente actividad aprenderás a determinar si una molécula es polar o no polar, al obtener su dipolo resultante.
Procedimiento:
Realiza la estructura de esferas y barras de las moléculas de O2 (oxígeno), N2 (nitrógeno), HCl (ácido clorhídrico), CO2 (dióxido de carbono), H2O (agua), NH3 (amoníaco) y CCl4 (tetracloruro de carbono), considerando su geometría.
2. Clasifica cada uno de sus enlaces covalentes como polar o no polar, de acuerdo con su diferencia de electronegatividad.
3. Señala con una flecha (→) hacia dónde se orienta el dipolo.
4. Indica las cargas parciales (polos) positiva y negativa, de todos los átomos de la molécula.
5. Observa los dipolos en cada molécula. Si dos dipolos tienen igual magnitud, pero dirección opuesta, estos se cancelan entre sí.
6. Si todos se cancelan, no hay un dipolo resultante; pero si no se cancelan todos, señala con una flecha más grande hacia dónde se orienta el dipolo resultante, lo cual será hacia el átomo donde se orienten los dipolos que no se cancelaron. Si existe un dipolo resultante, la molécula tendrá un momento dipolar.
7. Clasifica cada molécula como polar o no polar.
Escanea el código y encuentra un simulador para observar hacia dónde se orienta el dipolo resultante y las cargas parciales de una molécula cuando se somete a un campo eléctrico.
La forma experimental de medir la polaridad de un enlace o de una molécula es sometiéndolo a un campo eléctrico para determinar su momento dipolar (se representa por μ), el cual es el producto de la carga eléctrica (Q) por la distancia (r) entre las cargas: μ = Q x r. Las unidades más usadas para su medición se denominan debye (D).
Las moléculas no polares no presentan momento dipolar significativo, mientras que las moléculas polares sí poseen un momento dipolar resultante.
Ojo al dato...
1 debye (D) equivale a 3.336 × 10-30 C m (se lee culombio metro).
Carlos: Evidentemente, no todas las moléculas son polares; entonces, ¿será que podremos encontrar interacción entre moléculas no polares? Averigüémoslo con la siguiente actividad.
Hemos analizado la formación del momento dipolar para una sola molécula polar. Sin embargo, en las fases sólida y líquida, las moléculas no se encuentran aisladas, sino interactuando con otras moléculas vecinas. En ese sentido, los polos con cargas eléctricas contrarias de dos moléculas vecinas se pueden atraer. La atracción que existe entre las moléculas es debida a las fuerzas intermoleculares.
C. Baile de colores sobre la leche
Materiales: un plato redondo, leche entera líquida (250 ml aproximadamente), un hisopo, colorante vegetal de diferentes colores y jabón líquido.
Procedimiento:
Agrega un poco de leche entera sobre un plato redondo (no muy hondo), a manera de cubrirlo todo.
Echa sobre la leche unas 3 o 4 gotas de cada colorante vegetal.
Observa si los colorantes quedan sobre la leche o se mezclan con ella de inmediato.
a. ¿Cómo se relaciona esto con la atracción entre las moléculas del agua contenida en la leche?
Impregna un hisopo con jabón líquido y colócalo justo en el centro de los colorantes. ¡Observa lo que ocurre con los colorantes!
b.
Analiza lo ocurrido y responde en tu cuaderno de trabajo:
c. ¿El jabón interactúa o no con las grasas? (la leche entera contiene grasa)
d. ¿Ocurriría lo mismo si utilizaras leche descremada (libre de grasa) en este experimento?
Las fuerzas intermoleculares constituyen las denominadas fuerzas de van der Waals (en honor al físico holandés Johannes van der Waals), que se dividen en tres tipos: dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido y fuerzas de dispersión.
Las fuerzas dipolo-dipolo se dan entre moléculas polares, ya que poseen momentos dipolares y el polo positivo de una molécula atrae al negativo de la otra molécula.
Un tipo de interacción dipolo-dipolo muy fuerte ocurre cuando la carga parcial positiva del átomo de hidrógeno de una molécula polar es atraída por un par de electrones libres de un átomo electronegativo de O, N o F; esta interacción se denomina enlace o puente de hidrógeno, y a menudo se trata como una categoría aparte. Esta interacción es la responsable de mantener unidas las moléculas de agua, por lo que tiene gran importancia biológica.
D. ¿Qué tan fuerte es el enlace de hidrógeno?
Veamos qué tan fuerte es el enlace de hidrógeno con la siguiente actividad.
Materiales: agua potable (500 ml), aceite comestible (100 ml), lana o cordel (1 m de largo), tres vasos transparentes y una caja de clips.
Por la dipolaridad de la molécula de agua se establecen enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua.
Procedimiento:
Coloca dos vasos sobre la mesa, en uno agrega agua hasta la mitad.
Moja un extremo de la lana en el vaso con agua y sujétalo.
Sujeta con tus dedos el otro extremo de la lana dentro del vaso vacío.
Eleva un poco el vaso con agua y, manteniendo tensa la lana, intenta bajar el agua a través de ella al vaso vacío.
Repite este experimento usando aceite en lugar de agua.
Después, llena un vaso con agua hasta el borde. Piensa y responde:
a. ¿Cuántos clips crees que se le pueden agregar al interior del vaso sin que se derrame el agua?
Agrega contando uno a uno los clips al interior del vaso. Observa la curvatura que se forma en la superficie del agua.
Analiza tus resultados y responde en tu cuaderno de trabajo:
b. ¿Por qué el agua si desciende por la lana y el aceite no?
c. ¿Por qué cabe esa cantidad de clips en el vaso sin que se derrame el agua?
Cuando una molécula polar se acerca a una no polar, la distribución de sus electrones se distorsiona por la fuerza que ejerce la molécula polar, induciendo un dipolo temporal, a esta interacción se le denomina dipolo-dipolo inducido.
Las fuerzas de dispersión son fuerzas de atracción débiles que se generan a partir de los dipolos temporales inducidos en las moléculas. Existen en todos los tipos de moléculas, aunque su contribución se considera más significativa en las moléculas no polares.
Entre un ion y un dipolo (permanente o inducido) también puede ocurrir una atracción por fuerzas electrostáticas, las cuales se denominan ion-dipolo e ion-dipolo inducido, respectivamente. No obstante, estas no se catalogan como fuerzas de van der Waals.
En general, las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que los enlaces entre átomos (fuerzas intramoleculares); por ello, es más fácil evaporar un líquido que romper los enlaces entre átomos. De hecho, los puntos de ebullición de las sustancias reflejan la magnitud de las fuerzas intermoleculares entre sus moléculas.
E. Identifiquemos interacciones intermoleculares
Partiendo de la naturaleza polar o no polar de las moléculas identifiquemos las interacciones intermoleculares.
Materiales: plastilina de colores, palillos de madera y vejigas de colores.
Procedimiento:
Con las estructuras de las moléculas de HCl, CO2, H2O, NH3 y CCl4, que realizaste en la actividad B, identifica qué tipo de atracción intermolecular se da entre cada una de ellas.
Representa estas moléculas con el modelo de esferas y barras, con plastilina, o con el modelo molecular con globos. Haz al menos dos de cada molécula.
Indica en cada molécula los dipolos formados, y si son permanentes o inducidos.
Señala cómo se da la atracción entre los dipolos de cada par de moléculas idénticas.
Investiga cuáles son los puntos de ebullición de estas sustancias; compáralos y deduce quién presenta la mayor y la menor fuerza de atracción intermolecular.
Presenta tus resultados a tus compañeros y docente.
Fíjate qué...
El agua es considerada como el «solvente universal», ya que gracias a su elevado momento dipolar es capaz de disolver sustancias covalentes polares e iónicas.
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