Tema 10. FUERZAS INTERMOLECULARES Introducción Polaridad de las moléculas Interacciones de dipolos Interacciones de dipolos inducidos Enlace de hidrógeno Efectos de las fuerzas químicas Tipos de estructuras cristalinas http://cwx.prenhall.com/petrucci/medialib/media_portfolio/13.html http://www.sbu.ac.uk/water/ http://chemed.chem.purdue.edu/demos/ http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html http://www.miramar.sdccd.cc.ca.us/faculty/fgarces/zCourse/Fall2K/Ch201/Ch201Lec/Lecture201/11_Ch200/1101/ Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Introducción  Sólido molecular: Sólido cuyas unidades estructurales son moléculas covalentes discretas unidas entre sí por medio de fuerzas de Van der Waals.  Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas intermoleculares de carácter electrostático que se establecen entre las moléculas de un compuesto. Son las responsables del estado de agregación del mismo, de sus puntos de fusión y ebullición y de su solubilidad.  Tipos de fuerzas: ¾ Interacciones dipolo-dipolo ¾ Fuerzas de dispersión de London ¾ Enlaces de hidrógeno Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 1 Importancia de las fuerzas intermoleculares Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Importancia de las fuerzas intermoleculares (2) Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 2 Polaridad de las moléculas  La polaridad de las moléculas aparece cuando existe una cierta separación de cargas en el seno de las mismas, sin que por eso la molécula deje de ser eléctricamente neutra.  El grado de polaridad de un enlace covalente puede expresarse mediante el valor del momento dipolar de enlace: µ = q.r ¾ q (carga): 1.602 10 -19 C (4.803 10-10 ues) ¾ r (distancia de enlace): del orden de 10-10 m (10-8 cm) = 1 Å, ¾ µ: Unidad el debye (D): 1 D = 10-18 ues.cm = 3.33 10-30 C.m.  Molécula polar: es una molécula con un momento dipolar eléctrico permanente que surge de las cargas parciales que soportan los átomos unidos por enlaces covalentes polares. ¾ Las moléculas no polares pueden adquirir un momento dipolar por la distorsión que causa un campo eléctrico en su distribución electrónica y en la posición de los núcleos. Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Tabla 1. Momento dipolar de enlace y diferencia de electronegatividad. Enlace χA-χB C-H 0.30 N-H 0.87 N-D H-P 0.14 H-As 0 H-Sb 0.38 O-H 1.30 O-D S-H 0.24 F-H 1.90 Cl-H 0.63 Cl-D Br-H 0.54 I-H 0.01 C-C 0 C=C C≡C N-C 0.57 µ (D) 0.4 1.31 1.30 0.36 0.10 0.08 1.51 1.50 0.68 1.94 1.08 1.09 0.78 0.38 0 0 0 0.22 Enlace χA-χB N=C N≡C O-C 1.00 O=C C-S 0.06 C=S C-Se 0.02 C-Te 0.49 F-C 1.60 Cl-C 0.33 Br-C 0.24 C-I 0.29 O-N 0.43 O=N F-N 1.03 O=P S=P Cl-P 0.77 µ (D) 0.9 3.5 0.74 2.3 0.9 2.6 0.8 0.6 1.41 1.46 1.38 1.19 0.3 2.0 0.17 2.7 3.1 0.81 Enlace χA-χB Br-P 0.68 I-P 0.15 O=As F-As 1.90 Cl-As 0.63 Br-As 0.54 I-As 0.01 Cl-Sb 1.01 Br-Sb 0.92 I-Sb 0.39 O=S Cl-S 0.39 O-Cl 0.67 F-Cl 1.27 F-Br 1.36 Cl-Br 0.09 Br-I 0.53 µ (D) 0.36 0 4.2 2.03 1.64 1.27 0.78 0.78 1.9 0.8 2.8 0.7 0.7 0.88 1.3 0.57 1.2 Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 3 VSEPR Nº estérico Geometría de los pares 6 Nº átomos periféricos Geometría molecular 5 2 Lineal (180°) 2 Lineal 3 Trigonal plana (120°) 3 Trigonal 2 Angular 4 Tetraédrica (109.5°) 4 Tetraédrica 3 Piramidal 2 Angular 5 Bipirámide trigonal 4 Pirámide distorsionada 3 Forma de T 2 Lineal 6 Octaédrico 5 Pirámide cuadrada 4 Plano cuadrada 5 6 Bipirámide trigonal (90°, 120°) Octaédrico (90°) 4 3 2 Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 µ=0 ABnEm Grupo Puntual Momento dipolar AB2 D∞h 0 CO2, BeCl2(g), ZnX2 AB3 D3h 0 BX3, GaI3, In(CH3)3 AB2E C2v finito 0 Ejemplos SnX2, PbX2 AB4 Td AB3E C3v finito CX4, SiX4, ThX4 NH3, NX3, PX3 AB2E2 C2v finito H2O, SeX2, TeX2 AB5 D3h 0 AB4E C2v finito SF4, SeF4 AB3E2 C2v finito ClF3, BrF3 AB2E3 D∞h 0 XeF2 AB6 Oh 0 SF6, SeF6, MoF6 AB5E C4v finito AB4E2 D4h 0 XeF4 AB7 D5h 0 IF7 PF5, PCl5(g), NbCl5(g) ClF5, BrF5, IF5 µ≠0 Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 4 Interacciones de dipolos (1) ÂIon-dipolo ZqR Zµ E=− ≅− 2 R 4πε o r 2 4πεo r − 4 Dipolo Ion + Dependen 1/r2. Son mucho más débiles que las ion-ion. Están presentes en la disolución de compuestos iónicos en disolventes polares. R q- q+ + r Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Interacciones de dipolos (2) ÂDipolo-dipolo  Las interacciones dipolo-dipolo son fuerzas intermoleculares que resultan de la atracción que experimentan las correspondientes zonas positiva y negativa de moléculas polares adyacentes. Dependen 1/r3. Son mucho más débiles que las ion-ion y de mucho menor alcance. Están presentes en disolventes polares. E=− q1q2R 2 µµ ≅ − 1 23 4πε o r rR 2 4πεo r 3 − 2 CH2Cl2 q1 + q2 - + r q1 - R + q2 + Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 5 Interacciones de dipolos inducidos (1) Momento dipolar inducido: µinducido = α.E Polarizabilidad Es una medida de la facilidad relativa con que se desplazan entre sí las cargas positivas y negativas en una molécula (o átomo) bajo la acción de un campo eléctrico externo. Se mide en unidades de volumen-molécula-1. ÂIon-dipolo inducido E=− Z 2α 4πεo 2r 4 ÂDipolo-dipolo inducido E=− 2 µ 2α 4πεo r 6 Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Interacciones de dipolos inducidos (2)  Dipolo instantáneo-dipolo inducido.  Fuerzas de dispersión de London E=− 3Iα 2 4πεo 4r 6 Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 6 Enlace de hidrógeno z Se dice que existe un enlace de hidrógeno entre dos átomos A y B cuando éstos se hallan más próximos, o a una distancia menor, de lo que estarían en ausencia del átomo de hidrógeno z El enlace se representa como A−H…B, (el átomo de hidrógeno está unido a un átomo A mediante un enlace covalente normal y a un átomo B mediante un enlace de hidrógeno más débil y largo). 14 15 C Si Ge Sn N P As Sb 16 17 O F S Cl Se Br Te I z A es electronegativo. z B posee una región de densidad electrónica alta y es electronegativo. z La estructura cristalina de muchos compuestos está dominada por los efectos de los enlaces de hidrógeno Aδ−-Hδ+…B− Aδ−-Hδ+…Bδ−-Rδ+ Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Tipos de enlaces de hidrógeno  Enlaces intermoleculares ¾ grupos finitos HF2−, [O2CO-H…OCO2] ¾ dímeros (dímeros de ácidos carboxílicos) ¾ redes monodimensionales 1D, HF, HCN, HCO3− ¾ redes bidimensionales 2D, B(OH)3, H2ox ¾ redes tridimensionales 3D, NH4F, H2O, H2O2  Enlaces intramoleculares 2D Na3H(CO3)2.2H2O dímero intra 1D Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 7 Diagrama de fases del H2O Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 3D. H2O Hexagonal: P63/mmc a (Å) 4.5227 c (Å) 7.3671 3 V (Å ) 121.9 Z 3 −3 Dx (gcm ) 0.74 O-H (Å) O…O (Å) H…O (Å) O-H…O (°) 0.82, 0.86 2.765, 2.773 1.91, 1.95 180° http://www.uwgb.edu/dutchs/PETROLGY/Ice%20Structure.HTM Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 8 Under what conditions do the different snow crystal types form? Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 3D. NH3 Cúbico: P213 a (Å) 5.1305 135.05 V (Å3) Z 4 Dx (gcm−3) 0.836 N-H (Å) N…N (Å) H…N (Å) N-H…N (°) 0.846 3.377 2.556 164° http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/struk/NH3.html Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 9 1D. HF (DF) Ortorrómbico: B mmb B m21b a (Å) 3.42 3.31 b (Å) 4.32 4.26 c (Å) 5.41 5.22 3 79.9 73.6 V (Å ) Z 4 4 1.90 Dx (g·cm−3) 1.66 F-D (Å) F…F (Å) D…F (Å) F-D…F (°) 2.49 0.951 2.503 1.554 176.6° Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Puntos de fusión y ebullición. Sólidos moleculares Los puntos de fusión y ebullición crecen al aumentar las fuerzas intermoleculares. Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 10 Alcanos Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Hidruros covalentes  Los puntos de fusión y ebullición de NH3, H2O y HF son anormalmente elevados cuando se comparan con los de los hidruros del resto de elementos de los grupos 15, 16 y 17. 50 0 H2 O -50 NH3 -100 HF -150 -200 100 HO 2 50 -100 CH 0 0 20 Comp NH3 H2O HF -50 NH3 -150 CH4 Puntos de ebullición (°C) HF 0 Puntos de fusión (°C) 40 60 80 100 Peso molecular # HB/moléc 3+3 (3D) 2+2 (3D) 1+1 (1D) 120 140 X…X 3.38 2.77 2.49 4 20 40 60 80 100 Peso molecular 120 140 Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 11 Compuestos iónicos ÂZ+, Z- Ï => Ur Ï => pf, pe Ï Î NaF (pf 997°C) MgO (pf 2800°C) ÂAumento del carácter covalente pf, pe Ð mismo anión y cationes con diferente... … tamaño: BeCl2 (405°C) CaCl2 (772°C) … carga: NaBr (755°C) MgBr2 (700°C) AlBr3 (97°C) mismo catión y aniones con diferente tamaño: LiF (870°C) LiCl (613°C) LiBr (547°C) LiI (446°C) iones misma tamaño y carga pero diferente configuración electrónica: Î CaCl2 (772°C) HgCl2 (276°C) Î Î Î Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 Metales Entalpías de vaporización (kJmol-1) de los elementos metálicos de los bloques s, p y d. ÂEn los bloque s y p ¾ al descender en el grupo disminuye los pf y pe. ÂEn el bloque d ¾ al descender en el grupo aumentan los pf y pe. ¾ los pf y pe son máximos para los metales de los grupos 5, 6 y 7. Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 12 Cómo reconocer los principales tipos de fuerzas intermoleculares Interaccionan moléculas o iones ¿Están implicadas moléculas polares? ¿Están implicados iones? NO ¿Están implicadas tanto moléculas como iones? SI SI NO NO Fuerzas de London ¿Hay enlaces de hidrógeno a átomos de N, O o F? NO SI SI Fuerzas dipolo-dipolo Enlace de hidrógeno Fuerzas iondipolo Enlace iónico (dipolos inducidos) Ar (l), I2 (s) CH3Cl, H2S H2O, NH3, HF (l) (s) KBr en H2O NH4CO3 NaCl, Ca2F, Fuerzas de van der Waals Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 PRINCIPALES TIPOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS Descripción Descripción estructural Características físicas Ejemplos • Fuerzas de van der Waals y enlaces de hidrógeno. • Cristales blandos. • pf bajos. • Aislantes. Los compuestos moleculares orgánicos e inorgánicos: C6H6, SF6, S8, H2O … Covalente extendida • Polímeros covalentes 1D, 2D y 3D. • Covalente. • Cristales duros (?). • pf altos. • Aislantes, semiconductores. Grafito, diamante, SiO2 … Metálica • Empaquetamientos compactos. • Enlace metálico. Fe, Co, Al, K, Au, Na, • Blandos. (La dureza depende de los defectos estructurales y Hg, W … la fortaleza de los enlaces metal metal). • pf varia desde <T.A. hasta ~3000 °C. • Buenos conductores. Iónica • Cationes y aniones dispuestos en una red 3D. • Enlace iónico. • Duros, frágiles. • pf altos. • Aislantes. Conductores en estado fundido. Molecular • Moléculas discretas. NaCl, CsCl, CaF2 … Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 13 Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 http://cwx.prenhall.com/petrucci/medialib/media_portfolio/11.html Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica. 2005 14