Influencia de las estructuras, polaridad y fuerzas intermoleculares sobre las propiedades físicas de los compuestos orgánicos

1. Unidad curricular: Química Orgánica I
Docente: MSc. Marisabel Piña Arenas

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Es un hecho que algunas moléculas son polares y otras no. Un buen indicador de la
polaridad molecular es el momento dipolar (μ) de las moléculas; por otro lado,
tomando en cuenta factores como polaridad de enlaces (dada por la diferencia de
electronegatividad entre los átomos enlazados), geometría de la molécula así como
pares de electrones no enlazantes, es posible inferir si una molécula será polar o no
polar.
Moléculas no polares. Pueden estar conformadas por:
- átomos con igual o similar
electronegatividad, por lo que la
densidad electrónica se distribuye
de forma simétrica en la molécula
y no se crean cargas, por ejemplo
los alcanos.
- átomos que tienen diferente
electronegatividad, pero por su arreglo
geométrico (simétrico) hace que se
anule esta polaridad, ejemplo de este
tipo de compuestos no polares es el
tetracloruro de carbono (CCl4)

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Moléculas polares. La polaridad molecular resulta a partir de:
- la suma vectorial de todas las polaridades de los enlaces individuales,
que debido a la geometría molecular (asimétrica) no se cancelan
- el aporte de pares de electrones no enlazados en la molécula.
En general, las moléculas orgánicas con átomos de oxígeno o nitrógeno, son
consideradas poco, mediana o muy polares

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Son aquellas que mantienen unidos a las moléculas entre sí, y son las responsables de
las propiedades físicas de los mismos. Hay tres tipos principales de interacciones
intermoleculares: las fuerzas de dispersión de London que afectan a todas las
moléculas, las fuerzas dipolo - dipolo de moléculas polares y los “enlaces por puente
de hidrógeno” presentes en moléculas orgánicas que tienen grupos -OH o –NH.
Fuerzas de dispersión de London
Surgen de momentos dipolares temporales que son inducidos en una molécula
por otras moléculas cercanas. Este tipo de interacción se encuentra en todas las
cadenas hidrocarbonadas de los compuestos (parte no polar de la molécula)
Un pequeño momento dipolar temporal es
inducido cuando una molécula se aproxima
a otra molécula en la que los electrones están
ligeramente desplazados de un arreglo
simétrico.
Estos dipolos temporales solo duran una
fracción de segundo y cambian continuamente.

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Fuerzas de dipolo-dipolo
La mayor parte de las moléculas
tienen momentos dipolares
permanentes como resultado de sus
enlaces polares. Cada momento
dipolar tiene un extremo positivo y
otro negativo, siendo la situación
más estable la que presenta el
extremo positivo cerca del extremo
negativo de otra molécula.
Son interacciones que resultan de la atracción de extremos positivos y negativos
de los momentos dipolares de moléculas polares.

6. El átomo de
hidrógeno de los
enlaces O-H y N-H
tiene una gran
afinidad hacia
electrones no
compartidos y forma
agregados
intermoleculares con
los electrones no
compartidos de los
átomos de O o N de
una molécula
vecina.
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Un puente de hidrógeno es una forma especialmente fuerte de atracción entre
dipolos, que se presenta entre moléculas que tienen un átomo de hidrógeno
unido a O, N o F. Dada la electronegatividad de estos elementos, los enlaces O-H,
N-H y F-H están muy polarizados dejando al átomo de hidrógeno con una carga
parcial positiva.
Enlace por Puente de Hidrogeno

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Comparación de la intensidad de las fuerzas intermoleculares

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Comparación de la intensidad de las fuerzas intermoleculares

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Las fuerzas intermoleculares tienen efectos importantes sobre las propiedades físicas de
los compuestos orgánicos. Antes de estudiar algunas de estas propiedades, que son de
interés y sirven para la identificación de los compuestos orgánicos, veamos los
diferentes estados en que pueden presentarse los compuestos.
Representan a
las unidades
estructurales
(moléculas) y en la
figura puede verse
cómo se ordenan
de acuerdo al
estado en que se
encuentren los
compuestos.

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Puntos de ebullición
Para que ocurra el cambio de estado, deben anularse las fuerzas que mantienen
cercanas entre sí a las moléculas individuales en el líquido. Esto significa que el punto de
ebullición de un compuesto depende de las fuerzas de atracción entre las moléculas,
por tanto, si las moléculas se mantienen unidas por fuerzas intensas, se necesitará
mucha energía para apartar las moléculas unas de otras y el compuesto tendrá punto
de ebullición alto. Por otra parte, si las fuerzas intermoleculares son débiles, una
cantidad de energía relativamente baja será necesaria para separar las moléculas
unas de otras, y el compuesto tendrá punto de ebullición bajo.
Los hidrocarburos tienen puntos de
ebullición relativamente bajos, por tratarse
de moléculas no polares cuyas fuerzas
intermoleculares son las de dispersión de
London entre dipolos inducidos, las cuales
son las más débiles.
Los alcoholes, éteres, aminas, ácidos carboxílicos y
otros compuestos con cierto carácter polar, las
fuerzas que intervienen son dipolo – dipolo o puente
de hidrógeno, más fuertes que las de London. Por
tanto, sus puntos de ebullición serán mayores que los
de los hidrocarburos de masa molar semejante.
El punto de ebullición (P.e.) de un compuesto
es la temperatura a la que la forma líquida se
transforma en gas (se evapora).
Líquido Gas

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Puntos de ebullición
Otros factores que afectan a los puntos de ebullición,
están relacionados con la disposición de sus cadenas
carbonadas, lo cual se puede visualizar en las figuras.
P.e. 36 ºC
m.m. 72,15 g/mol
P.e. 69 ºC
m.m. 86,18 g/mol
En cualquier serie homóloga, los puntos de ebullición de sus
compuestos aumentan a medida que aumentan sus masas
molares, por el aumento de las fuerzas de Van der Waals.
Así, los puntos de ebullición de los compuestos en una serie
homóloga de cualquier familia: alcanos, alquenos, éteres,
haluros de alquilo, alcoholes, etc, aumentan al aumentar la
masa molar o cadena carbonada.
Por otro lado, entre
compuestos isómeros de
cadena, los puntos de
ebullición disminuyen con las
ramificaciones. Ya que el área
de contacto entre las
moléculas es menor y, por
tanto, disminuye la intensidad
de las fuerzas de Van der
Waals.

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Puntos de fusión
En un sólido cristalino, las moléculas están ordenadas de una forma muy regular y
simétrica; hay un modelo geométrico que se repite en el cristal. La fusión genera un
cambio desde una disposición muy ordenada de partículas en el retículo cristalino al
mas desordenado que caracteriza a los líquidos.
Por tanto, para que ocurra la fusión, deben ser superadas las fuerzas que mantienen
juntas a las moléculas (atracciones intermoleculares).
El punto de fusión (P.f.) es la temperatura a la cual
una sustancia pasa de estado sólido a líquido.
Sólido Líquido
El aumento del punto de fusión es menos regular que el del punto de ebullición
porque, además de las atracciones intermoleculares, el punto de fusión está influido
por el ordenamiento o empaquetamiento, que incluye la cercanía y la
compactación de las moléculas en la red cristalina. Mientras más estrecho sea su
ajuste, se requiere mayor energía para romper la red y fundir al compuesto.
Por ejemplo, el n-pentano tiene un punto de fusión de -129,8 ºC; mientras que
para el neopentano es de -16,4 ºC; esto puede ser debido a que este último se
empaqueta de manera más simétrica o compacta.

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Solubilidad
Cuando se disuelve un sólido o un líquido, las moléculas se
separan unas de otras y el espacio entre ellas pasa a ser
ocupado por moléculas de disolvente.
La regla general que gobierna a la solubilidad es “semejante disuelve a semejante.”
Por lo que, los compuestos polares se disuelven en disolventes polares
y los compuestos no polares se disuelven en disolventes no polares.
Agua y gasolina

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Solubilidad
Como regla general se dice que cuando tienen de 1 a 3 átomos de carbono, son
completamente solubles en agua; entre 4 y 5 carbonos, son mediana o poco solubles
en agua; de 6 carbonos en adelante, son insolubles en agua.
La estimación de los cuatro o cinco carbonos sólo es una guía
aproximada porque la solubilidad de un compuesto polar también
depende de la estructura del grupo alquilo, ya que los grupos
ramificados tienden a aumentar la solubilidad en agua sobre los que
tienen grupos alquilo no ramificados, con la misma cantidad de
carbonos
Los compuestos POLARES serán solubles en solventes polares, como
el agua, dependiendo del tamaño y disposición de su cadena
carbonada.
Alcohol n-butílico
(C4H9OH)
Solubilidad en agua a 25º
9,1%
Alcohol terc-butílico
(C4H9OH)
Completamente soluble en agua

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4) Ordene cada uno de los grupos que se muestran a continuación, en orden creciente
en cuanto a puntos de ebullición. Justifique.
4.1) pentano (CH3(CH2)3CH3), Ácido propanoico (CH3CH2COOH), Butanal (CH3CH2CH2CHO)
4.2) alcohol neopentílico (C(CH3)3CH2OH), alcohol n-pentílico (CH3(CH2)3CH2OH), alcohol
isopentílico (OHCH2CH2CH(CH3)2)
5) Indique si cada uno de los compuestos que se mencionan a continuación serán o no
solubles en agua. Justifique.
5.1) Ácido formico (HCOOH)
5.2) alcohol n-propílico (CH3CH2CH2OH)
5.3) butano (CH3(CH2)2CH3)
5.4) alcohol t-butílico ((CH3)3COH)