Ejercicio resuelto de Química · 2022

a) A la vista de los datos de la tabla, explique las diferencias encontradas en los puntos de ebullición de (0,4 puntos por apartado):

${\text{N.}}^{\text{o}}$	$\text{F}\acute{\text{o}}\text{rmula}$	${\text{T}}_{eb}{(}^{\circ }\text{C})$ 1	${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$	$-\mathrm{0,5}$ 2	${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$	36,0 3	$img /hodeia_images/selectivo_quimica_la_rioja_ordinaria_2022_ejercicio1_enunciado1.png img$	9,5 4	${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$	68,0 5	${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2\text{OH}$	118,0

i) los compuestos 1, 2 y 4

ii) los compuestos 2 y 5

iii) los compuestos 2 y 3

b) ¿Cómo esperaría que fuese la temperatura de ebullición del compuesto ${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-\text{O}-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$ en comparación con la del compuesto 5? (0,4 puntos)

c) ¿Cómo esperaría que fuese la temperatura de ebullición del compuesto ${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_3$ en comparación con la del compuesto ${\text{CH}}_3\text{F}$? (0,4 puntos)

Datos: masas atómicas: $\text{C}=12$; $\text{H}=1$; $\text{O}=16$; $\text{F}=19$ g/mol.

Antes de comparar nada conviene identificar los cinco compuestos, porque la clave está en qué fuerzas intermoleculares tiene cada uno: hervir un líquido molecular solo exige vencer esas fuerzas, nunca los enlaces covalentes internos.

N.º	Compuesto	$M$ (g/mol)	Fuerzas intermoleculares
1	butano	58	dispersión de London
2	pentano	72	dispersión de London
3	2,2-dimetilpropano	72	dispersión de London
4	hexano	86	dispersión de London
5	butan-1-ol	74	enlace de hidrógeno

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{i)}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{compuestos}}\mathbf{\text{1,}}\mathbf{\text{2}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{4}}\mathbf{\text{(0,4}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Los tres son alcanos lineales y apolares, de modo que sus únicas fuerzas intermoleculares son las de $\mathbf{\text{dispersi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{London}}$. Estas nacen de los dipolos instantáneos que aparecen al fluctuar la nube electrónica y son tanto más intensas cuantos más electrones tiene la molécula y mayor es su superficie de contacto.

Al pasar del butano al pentano y al hexano se añade cada vez un grupo $-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-$: crece el número de electrones y se alarga la cadena, con lo que aumenta la superficie por la que dos moléculas pueden acoplarse. Las dos cosas refuerzan la atracción y por eso la temperatura de ebullición sube de forma regular:

$-\mathrm{0,5}{}^{\circ }\mathrm{C}<\mathrm{36,0}{}^{\circ }\mathrm{C}<\mathrm{68,0}{}^{\circ }\mathrm{C}$

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{ii)}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{compuestos}}\mathbf{\text{2}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{5}}\mathbf{\text{(0,4}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El pentano y el butan-1-ol tienen masas moleculares casi iguales, 72 y 74 g/mol, así que la diferencia de 82 °C no puede explicarse por el tamaño: la causa es el $\mathbf{\text{grupo}}\mathbf{\text{funcional}}$.

El pentano es apolar y solo dispone de fuerzas de dispersión. El butan-1-ol lleva un grupo $-\mathrm{O}\mathrm{H}$, con el hidrógeno unido directamente a un oxígeno muy electronegativo, de modo que puede formar $\mathbf{\text{enlaces}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$ con otras moléculas iguales, cediendo su hidrógeno y aceptando el ajeno por los pares libres de su oxígeno.

El enlace de hidrógeno es del orden de diez veces más intenso que una fuerza de dispersión entre moléculas de este tamaño, y por eso hay que calentar mucho más para separarlas.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{iii)}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{compuestos}}\mathbf{\text{2}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{3}}\mathbf{\text{(0,4}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El pentano y el 2,2-dimetilpropano son $\mathbf{\text{is}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{meros}}$: comparten la fórmula ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}$, la misma masa molecular y el mismo tipo de fuerzas, las de dispersión. Lo único que cambia es la $\mathbf{\text{forma}}$.

El pentano es una cadena alargada, y dos moléculas pueden acoplarse a lo largo de toda su longitud. El 2,2-dimetilpropano está tan ramificado que resulta casi esférico, con lo que la superficie de contacto entre moléculas vecinas es mínima.

Menos superficie significa menos puntos de atracción, así que las fuerzas de dispersión son más débiles y hierve 26 °C por debajo:

$\mathrm{9,5}{}^{\circ }\mathrm{C}<\mathrm{36,0}{}^{\circ }\mathrm{C}$

Es la regla general: a igualdad de masa, cuanto más ramificado es un hidrocarburo, más baja hierve.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{¿C}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{esperar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{fuese}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ebullici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{compuesto}}\mathbf{\text{CH₃-CH₂-O-CH₂-CH₃}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{comparaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{compuesto}}\mathbf{\text{5?}}\mathbf{\text{(0,4}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El etoxietano y el butan-1-ol son isómeros: los dos tienen fórmula ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}\mathrm{O}$ y la misma masa molecular, 74 g/mol. Sin embargo, el éter hierve $\mathbf{\text{mucho}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{bajo}}$.

La razón está en que el enlace de hidrógeno exige un hidrógeno unido a flúor, oxígeno o nitrógeno, y en el éter $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{hay}}\mathbf{\text{ninguno}}$: el oxígeno está flanqueado por dos carbonos. Sus moléculas pueden $\mathbf{\text{aceptar}}$ enlaces de hidrógeno por los pares libres del oxígeno, pero no cederlos, de modo que entre ellas solo actúan interacciones dipolo-dipolo y de dispersión.

Los valores reales lo confirman: 34,6 °C el etoxietano frente a 118 °C el butan-1-ol.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{¿C}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{esperar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{fuese}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ebullici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{compuesto}}\mathbf{\text{CH₃-CH₃}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{comparaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{compuesto}}\mathbf{\text{CH₃F?}}\mathbf{\text{(0,4}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Las masas moleculares son parecidas, 30 y 34 g/mol, así que las fuerzas de dispersión serán del mismo orden en ambos. Lo que las diferencia es la polaridad.

El $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ es simétrico y sus enlaces C–H apenas están polarizados: la molécula es $\mathbf{\text{apolar}}$ y solo dispone de fuerzas de dispersión.

El $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{F}$ tiene un enlace C–F muy polar —el flúor es el elemento más electronegativo— que no se compensa con nada: la molécula es $\mathbf{\text{polar}}$ y sus moléculas se atraen además por interacciones dipolo-dipolo, más intensas.

Por tanto, el fluorometano hervirá a temperatura $\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{alta}}$ que el etano. Conviene precisar que el $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{F}$ no forma enlaces de hidrógeno: su hidrógeno está unido a carbono, no a flúor.