Puntos de fusión

El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que esa sustancia comienza a cambiar de la fase sólida a la fase líquida. A esta temperatura, las fases líquida y sólida están en equilibrio. Con calor adicional, la sustancia se derretirá por completo. Pero, ¿qué determina el punto de fusión de una sustancia? Pensemos en sólidos y líquidos. Las moléculas de un sólido se mantienen entre sí en una estructura rígida y ordenada llamada red, mientras que las moléculas de un líquido tienen interacciones más débiles y se mueven.

El calentamiento de un sólido transfiere energía a las moléculas. Con suficiente energía, las moléculas superan las fuerzas que las mantienen en la red y comienzan a moverse. En otras palabras, si calentamos un sólido lo suficiente, se funde en un líquido. Por lo tanto, el punto de fusión depende de la energía que se necesita para superar las fuerzas entre las moléculas, o las fuerzas intermoleculares, que las mantienen en la red. Cuanto más fuertes son las fuerzas intermoleculares, más energía se requiere, por lo que mayor es el punto de fusión.

Muchas fuerzas intermoleculares dependen de la fuerza con la que los átomos de la molécula atraen electrones, o de su electronegatividad. El nitrógeno, el oxígeno, el flúor y el cloro son altamente electronegativos, mientras que el carbono, el hidrógeno y el azufre son solo moderadamente electronegativos. Los enlaces entre átomos con electronegatividades significativamente diferentes son polares. Por ejemplo, un enlace carbono-oxígeno típico es polar, pero un enlace carbono-hidrógeno típico no lo es.

Los electrones de una molécula pasan más tiempo alrededor de sus átomos más electronegativos, lo que le da una ligera carga negativa en ese lado y una ligera carga positiva en el otro lado. A esto se le llama dipolo. Si el dipolo no es cancelado por un dipolo igual y opuesto en la misma molécula, la molécula tiene un dipolo permanente y es polar.

Ahora, analicemos tres fuerzas intermoleculares importantes: enlaces de hidrógeno, interacciones dipolo-dipolo y fuerzas de dispersión de London. El enlace de hidrógeno ocurre entre un átomo que retira electrones con un par solitario de electrones y un hidrógeno unido a un átomo más electronegativo. Los enlaces de hidrógeno se encuentran entre las fuerzas intermoleculares más fuertes.

Las interacciones dipolo-dipolo se producen entre moléculas polares. En una interacción atractiva dipolo-dipolo, el lado negativo de un dipolo se alinea con el lado positivo de otro dipolo. Las interacciones dipolo-dipolo son generalmente más débiles que los enlaces de hidrógeno.

Las fuerzas de dispersión de Londres provienen de cambios breves y aleatorios en la distribución de electrones de una molécula, que causan los cambios correspondientes en las moléculas cercanas. Estos cambios aleatorios ocurren en todas las moléculas, por lo que esta es una de las pocas interacciones disponibles para las moléculas no polares. Las fuerzas de dispersión de London se encuentran entre las fuerzas intermoleculares más débiles.

Anteriormente, predijimos que las fuerzas intermoleculares más fuertes correspondían a puntos de fusión más altos. Podemos ver esto en acción con el hexadecano, la 2-hexadecanona y el ácido hexadecanoico. A medida que aumenta la fuerza de las interacciones intermoleculares disponibles para cada molécula, también lo hace el punto de fusión.

Las fuerzas intermoleculares no son el único factor que determina el punto de fusión de una sustancia. Su pureza afecta significativamente a sus puntos de fusión y congelación en un efecto llamado "depresión del punto de congelación". Este efecto significa que una solución tiene un punto de congelación más bajo que el solvente puro. Es por eso que las calles se rocían con sal cuando hace mucho frío. Si se acumula agua en la calle, la sal se disuelve rápidamente para formar una solución con un punto de congelación mucho más bajo que el agua pura.

En un sólido, las impurezas se incorporan a la estructura de la red. Estas áreas a menudo tienen interacciones intermoleculares más débiles, lo que hace que partes de la estructura sean más fáciles de interrumpir. Por lo tanto, en comparación con un sólido puro, la fusión comienza a una temperatura más baja y se produce en un rango de temperatura más amplio.

En este laboratorio, medirá los puntos de fusión de dos compuestos orgánicos conocidos y luego analizará una mezcla para explorar cómo las impurezas afectan el rango del punto de fusión.