UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

Práctica No.6:

PROPIEDADES FÍSICAS

Y ENLACE QUÍMICO EN SÓLIDOS

Materia: Laboratorio de Química General I

Profesora: Silvia Manero Brito

Sub-grupo: 33 Gaveta: 28

Integrantes:

Casillas Popova Sofía Nieves

Hernández Franco Joscelyn Haidee

Lagar Quinto Frida

Paredes Jiménez Miguel Ángel

Ramírez Hernández David

Fecha de entrega: 14 de octubre de 2013

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PROPIEDADES FÍSICAS Y ENLACE QUÍMICO EN SÓLIDOSLas propiedades físicas de los sólidos dependen de los enlaces químicos que mantienen unidas a las entidades que los forman. La cantidad, intensidad y naturaleza de estas interacciones confieren propiedades particulares a las sustancias las cuales se pueden correlacionar con los diferentes tipos de enlace: iónico, covalente, metálico y fuerzas de van der Waals.

En esta práctica se emplearán sustancias que pueden servir para generalizar las características de estos tipos de enlace aunque es importante considerar que siempre hay excepciones.

OBJETIVO

Observar e interpretar las características físicas presentes en compuestos sólidos para poder determinar el tipo de enlace que presentan.

INTRODUCCIÓN:

1. ¿Qué es enlace químico? 2. Definir los tipos de enlace.3. ¿Qué son las fuerzas intermoleculares?4. Definir brevemente los diferentes tipos de fuerzas intermoleculares.5. ¿Qué son las redes iónicas y las redes covalentes?

MEDIDAS DE SEGURIDAD:

1. Utilizar lentes de seguridad durante toda la práctica.

2. El ácido esteárico es inocuo, sin embargo, como con todas las sustancias, hay que tener el debido cuidado al manipularlo.

3. El hexano es altamente flamable, tóxico por ingestión, inhalación y se absorbe a través de la piel. No debe utilizarse cuando se tiene cerca un mechero encendido u otro tipo de flama.

4. Los dispositivos para medir conductividad eléctrica son fuentes potenciales de toques eléctricos intensos, por lo que deben manipularse con cuidado.

5. Al final de la práctica, colocar los residuos en los lugares indicados.

MATERIAL Y REACTIVOS:

18 tubos de ensaye NaCl sólido2 vasos de precipitados Ácido EsteáricoMechero SiO2 sólidoTripié y tela de asbesto Viruta de hierroTapones de hule para los tubos Agua desionizadaCucharillas de combustión HexanoVidrios de reloj 2 sólidos problema Equipo de conductividad simple de bajo voltaje

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NOTA: Para el éxito de esta práctica es muy importante que el material que se emplee, esté perfectamente limpio, enjuagado con agua destilada y seco (sin restos de jabón o de alguna otra sustancia). De otra forma los resultados que se obtengan no serán confiables y no conducirán a conclusiones adecuadas.

Problema 1

¿Cómo son los puntos de fusión y la solubilidad de sustancias cuya estructura se mantiene por diferentes tipos de enlace?

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

A) Punto de Fusión:

1. Colocar por separado porciones pequeñas de cada compuesto (incluyendo los 2 sólidos problema) en tubos de ensaye adecuadamente etiquetados.

2. Probar el punto de fusión de cada una de ellas, colocando los tubos en un baño maría.

3. Las sustancias que no se fundan así, colocarlas en una cucharilla de combustión y calentarlas directamente a la flama por un tiempo máximo de 5 minutos. Retirar el sólido de la flama tan pronto como se funda. Anotar las observaciones en la tabla 1.

B) Solubilidad:

1. Etiquetar doce tubos de ensaye: seis de ellos, marcarlos con la letra A y los otros seis con la letra B. Colocarlos en parejas de un tubo A con uno B en la gradilla.

2. Agregar una muestra pequeña (aprox. 0.25 g) de NaCl en cada tubo del primer par (un tubo A y uno B). Hacer lo mismo con los otros sólidos y los tubos de ensaye remanentes.

3. Agregar 2.5 mL de agua desionizada a todos los tubos A y 2.5 mL de hexano a los tubos B de cada par. Ponerles un tapón y agitarlos. Observar cuidadosamente si se disuelve el sólido. Anotar las observaciones en la Tabla 1.

Problema 2

¿Cómo es la conductividad de sólidos y disoluciones de sustancias cuya estructura se mantiene por diferentes tipos de enlace?

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

Para probar la conductividad de cada una de las muestras, ya sea en estado sólido o en solución, se utilizará un equipo de conductividad simple de bajo voltaje (el profesor dará las indicaciones necesarias para el empleo adecuado de dicho equipo).

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A) Conductividad en estado sólido:

Colocar separadamente una porción pequeña de cada muestra en un vidrio de reloj y tocar el sólido con los electrodos del equipo de conductividad. Limpiar bien los electrodos con un paño limpio después de cada prueba. Anotar sus observaciones en la tabla 1.

B) Conductividad en solución:

1. Para estudiar la conductividad de las muestras en solución, es importante primero probar la conductividad de los disolventes empleados por separado (agua desionizada y hexano).

Para ésto, colocar una pequeña cantidad de cada disolvente en un vaso de precipitados de 50 mL e introducir los electrodos del equipo en cada uno.

Enjuagar y secar los electrodos del equipo de conductividad con el disolvente antes y después de cada prueba.

2. Probar la conductividad de las disoluciones o mezclas disolvente/sólido de las seis sustancias empleadas tanto en agua desionizada como en hexano. Anotar los resultados en la tabla 1.

3. Por último, analizar los resultados de la tabla 1 y proponer un tipo de enlace para cada uno de los sólidos empleados.

4. En el caso de los 2 sólidos problema indicar si se ajustan exactamente a algún tipo de enlace o si presentan alguna propiedad distinta.

Tabla 1

Propiedad NaCl Ácido esteárico

SiO2 Fe Probl.1 Probl.2

Punto de fusión T>400 T<92 T>400 T>400 T>400 T<92

Solubilidad en H2O Si No No No No Sí

Solubilidad en hexano

No Si No No No Sí

Conductividad en estado sólido

No No No Si Si No

Conductividad en H2O

Si No No No No No

Conductividad en hexano

No No No No No No

Tipo de enlace Red Iónica Covalente Red Covalente

Red Metálica

Red Covalente

Covalente Polar

CUESTIONARIO

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1. ¿Es posible obtener alguna información de las fuerzas relativas del enlace iónico y del covalente mediante la comparación de los puntos de fusión? Explicar detalladamente en base a si está formado por moléculas o redes.

Sí. El punto de fusión nos reporta que tan difícil o fácil es romper los enlaces mediante los que se unen las sustancias. No es necesario determinar exactamente el punto de fusión de cada sustancia, sino simplemente situarlo en un rango en el que se ilustre a grandes rasgos una escala de Bajo, Relativamente bajo y Alto.

Se disuelve en Baño María.

T<92°C (Bajo)

Se funde en la cucharilla de combustión.

92°C- 400°C(Relativamente bajo)

No se disuelve ni se funde.

T>400°C (Alto)

El enlace iónico está constituido de tal forma que cada ión se une mediante fuerzas electrostáticas muy fuertes con más de un ion de carga contraria (llamado Enlace Multidireccional), de manera que la atracción entre ellos sea máxima y forme así redes iónicas, nunca moléculas. Por la naturaleza fuerte de este tipo de enlace, son requeridas grandes cantidades de energía para que logre ser roto. Así, suponemos que tiene un punto de fusión muy elevado.

Por otro lado, el enlace covalente se forma cuando dos átomos comparten un par de electrones (llamado Enlace de Dirección Selectiva) formando así moléculas. Los átomos entre si se encuentran fuertemente enlazados, sin embargo las interacciones entre las moléculas son relativamente débiles, lo que significa que para separarlas no se requiere de mucha energía y su punto de fusión es bajo.

Los enlaces covalentes pueden formar otra estructura a parte de las moléculas, las redes covalentes. Sólo dos miembros de la familia IVA pueden formar redes covalentes: el carbono y el silicio. El diamante, por ejemplo, forma una estructura gigante, en la que cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros cuatro dando lugar a una distribución tetraédrica en la que no hay más que átomos de carbono. La energía requerida para romper este tipo de enlaces es muy elevada, lo que significa que tienen un punto de fusión alto.

Entonces un punto de fusión bajo reporta una sustancia constituida por moléculas, mientras que un punto de fusión alto sólo puede provenir de una sustancia cuya constitución esté dada por redes ya sea iónicas o covalentes.

2. Asignar a cada sólido un tipo de enlace con base en los resultados de punto de fusión. Explicar.

Aquellos con puntos de fusión mayores a 400 están unidos por una red, cuya clasificación depende de su solubilidad y su conductividad. El NaCl, SiO2, Fe y el sólido problema 1 están unidos por una red.

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En lo sólidos con puntos de fusión menores a 92 como el sólido del problema 2 y como el ácido esteárico, podemos afirmar que sus interacciones no son una red, pero nuevamente para determinar qué clase de enlace es, se necesita tomar en cuenta las pruebas de solubilidad y conductividad.

3. Considerando que el agua es un disolvente polar y el hexano es un disolvente no polar, clasifica las interacciones que mantienen a cada uno de los sólidos que empleaste como polares o no polares.

El NaCl se disuelve en agua, por lo que podemos decir que se trata de un sólido polar. El ácido esteárico se disuelve en hexano, por lo que afirmamos que se trata de un sólido no polar.

El resto de compuestos resultaron insolubles en ambos medio, con excepción del solido problema 2, que fue soluble tanto en agua como en hexano por lo que se podría catalogar como anfipático.

4. ¿Qué tipo de disolvente (polar o no polar) será capaz de romper las interacciones que mantienen las estructuras de los sólidos iónicos? ¿Coincide con lo observado experimentalmente?

La bibliografía nos reporta que los compuestos iónicos son solubles en disolventes polares como el agua. Esto coincide con lo observado experimentalmente ya que el NaCl, que es un compuesto iónico, se disuelve en agua formando cationes y aniones.

5. ¿Se requiere más energía para perturbar un cristal de un sólido molecular o de un sólido iónico? ¿Por qué?

Se requiere más energía para perturbar un sólido iónico debido a que cada ión está fuertemente unido a varios iones de la carga contraria haciendo que se requiera mucho más energía para romper el enlace.

Por el contrario, en un sólido molecular las fuerzas que mantienen unidas a las moléculas son más débiles, por lo que se requiere de menos energía para romper esas interacciones.

6. ¿Cómo se puede saber si un sólido cristalino está formado por moléculas o por iones? Explica detalladamente

Se inicia probando su solubilidad en un disolvente polar y en uno no polar. Los compuestos iónicos son solubles en disolventes polares como el agua, mientras que los compuestos covalentes son solubles en disolventes no polares como el hexano.

Si al estar disuelto no conduce electricidad sabemos que son moléculas neutras, y por el contrario si al estar disueltos conduce electricidad sabemos que son iones. Las disoluciones acuosas de compuestos iónicos en disolventes polares (agua en este caso) son buenas conductoras de electricidad porque tienen partículas cargadas (iones) móviles. Las disoluciones acuosas de compuestos covalentes en disolventes no polares suelen ser malas conductoras de la electricidad.

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7. ¿Cómo es el punto de fusión de los sólidos que forman redes covalentes? Explicar.

En las redes covalentes el punto de fusión es muy alto debido a que las interacciones entre los átomos que las forman son muy fuertes. Como se mencionó con anterioridad, sólo forman redes covalentes los miembros de la familia IVA carbono y silicio, pues son los únicos que forman cuatro enlaces; los elementos con tres enlaces no pueden formar redes, ya que tres puntos siempre determinan un plano. La cercanía entre sus enlaces hace que se requiera de mucha energía para romperlos, lo que justifica su alto punto de fusión.

8. ¿Qué características físicas dan a los metales los electrones libres característicos del enlace metálico?

Los metales tienen pocos electrones en su capa de valencia (1, 2 ó 3), por lo que tienen una tendencia a ceder electrones formando cationes, éstos se ordenan formando una red metálica que se mantiene agrupada por los electrones desprendidos que forman una nube de electrones, lo que les permite el desplazamiento a través de los cationes.

La nube de electrones otorga a los metales su principal propiedad, la conductividad, ya que éstos permiten el paso de corriente a través de los cationes.

9. Con base en el desarrollo de la práctica justificar la clasificación del tipo de enlace de los sólidos problema. Explicar detalladamente considerando todas las pruebas que se realizaron con ellos.

Sólido problema 1:

En el sólido del problema 1 observamos que el punto de fusión es mayor a 400, es decir es muy alto, por lo que se puede afirmar que el tipo de enlace es una red.

Al probar la solubilidad en un disolvente polar y uno no polar, observamos que el sólido del problema uno no se disolvía, por lo que descartamos que se tratara de un enlace iónico o covalente polar.

Para finalmente determinar el tipo de enlace se probó su conductividad: resultó ser conductor de la electricidad en estado sólido.

Dadas las propiedades anteriores, sugerimos en un principio que podría tratarse de un metal, sin embargo ésta opción fue rechazada porque las propiedades físicas del sólido problema 1 no concordaban con las de un metal. Así, se determinó que se trata de una excepción de las redes covalentes. Éstas tienen alto punto de fusión, son insolubles en los disolventes comunes y no conducen la electricidad, salvo una excepción: el grafito.

Sólido problema 2:

El sólido del problema 2 tenía un punto de fusión menor a 92.

Probando la solubilidad apreciamos que era soluble en un disolvente polar y al mismo tiempo en un disolvente no polar.

Estando disuelto no conducía la corriente eléctrica.

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Su bajo punto de fusión descarta la posibilidad de que se trate de una red. Dado que resultó ser soluble en agua pero no cumple con conducir la electricidad ni con un alto punto de fusión, descartamos que se trate de un enlace iónico y optamos por un enlace covalente polar. Las sustancias con enlace covalente polar se disuelven en agua, debido a interacciones entre las cargas parciales presentes en las moléculas. El hecho de que haya resultado también soluble en hexano lo podemos interpretar de dos modos: o bien es una excepción o bien se trata de un compuesto anfipático (triglicérido), como podría ser un acido graso (que tiene una parte de la molécula hidrofílica y una hidrofóbica por lo que se puede disolver tanto en disolventes polares como no polares) o algún compuesto parecido.

OBSERVACIONES

Al realizar las pruebas con el sólido problema 2 tuvimos un error que afectó nuestros resultados experimentales. El soluto que utilizamos para probar la solubilidad en hexano del sólido problema 2 había sido el mismo que utilizamos para probar su punto de fusión y no sólido nuevo. Como consecuencia, el sólido se precipitó al fondo del tubo y no se disolvió, sino que se solidificó.

Lo anterior podría deberse a que las moléculas del solido se compactaron tanto que al momento de disolverlo no fue posible hacerlo. Probablemente haya hecho falta una mayor cantidad de disolvente para lograr la disolución.

Debemos tomar en cuenta este tipo de fallas en la practica en un futuro y tener más cuidado con los reactivos y como los trabajamos, para no desperdiciarlos y tampoco afectar nuestros resultados.

ANÁLISIS

En esta práctica se analizaron las propiedades físicas y químicas que se presentan dependiendo de cada tipo de enlace. Encontramos una relación muy marcada entre los puntos de fusión de un compuesto y el tipo de estructura que tiene, es decir, un punto de fusión alto (mayor a 400ºC) nos reporta una red iónica o covalente, mientras que un punto de fusión bajo (menor a 400ºC) nos indica que el compuesto está formado por moléculas que requieren de menos energía para ser perturbadas.

Debido a que no es suficiente con conocer el punto de fusión de una sustancia para definir qué tipo de enlace va a presentar, es importante conocer también su solubilidad ya que esta nos proporciona más información para catalogar el tipo de enlace presente. Así, observamos que si un compuesto es soluble en agua (un disolvente polar) se trata de un enlace iónico o bien de un enlace covalente polar. Si es soluble en hexano (un disolvente no polar) entonces se trata de un enlace covalente sin duda.

Un último parámetro que se tuvo en cuenta para determinar el tipo de enlace fue el de la conductividad eléctrica. Se probó la conductividad tanto en estado sólido como en disolución de aquellas muestras que sí se disolvieron en alguno de los dos disolventes. Una conductividad eléctrica en estado sólido nos reporta que se trata de un metal, aunque esto no siempre aplica y existen algunas excepciones como lo es el grafito, pues a pesar de que no reúne las características de un metal conduce la electricidad en estado sólido. Una buena conductividad eléctrica en disoluciones de agua reafirma que se trata de un compuesto iónico, que al ser separado en sus iones con carga eléctrica es capaz de

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conducir la electricidad sin problema. Una mala conductividad eléctrica en disoluciones de hexano, indica que el compuesto está unido por enlaces covalentes, formando moléculas neutras que al ser liberadas al medio acuoso no son capaces de conducir la electricidad.

CONCLUSIONES

En esta práctica nos fué posible observar las propiedades físicas y químicas de los sólidos, que nos permiten determinar el tipo de enlace químico que los constituye. Ahora sabemos que si observamos un punto de fusión muy alto en un sólido se trata sin duda de una red; esta red puede ser: metálica si resulta ser insoluble en disolventes polares y no polares y además conduce la electricidad en estado sólido; covalente si es insoluble en disolventes polares y no polares y además no conduce la electricidad en estado sólido (aunque existen excepciones a esto, como lo es el caso del grafito que si conduce en estado sólido); o iónica si resulta soluble en disolventes polares y en disolución es capaz de conducir la electricidad. Un punto de fusión bajos nos reporta una constitución a base de moléculas, además una solubilidad en disolventes no polares que no conduce la electricidad respaldan esta clasificación, por lo tanto aquellos compuestos con estas características están unidos mediante enlaces covalentes. Existen también excepciones, en las que los sólidos son solubles en ambos tipos de disolventes y no conducen la electricidad, como el sólido problema 2, y se catalogan como covalentes polares (pues son los enlaces que se pueden romper en agua).

Tratamiento de residuos.

Para las muestras que contienen hexano, es necesario decantar y vaciar el hexano en el envase provisto para éste. Devolver la viruta de hierro al laboratorista y el SiO2 al profesor, previamente enjuagados con agua destilada. Colocar el ácido esteárico en el envase indicado para su posterior secado y recuperación. Las muestras con NaCl se pueden eliminar en la tarja.

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