PRÁCTICA DE LABORATORIO: Estudio de las Fuerzas de Van der Waals

 

Estudio de las Fuerzas de Van der Waals

1. Introducción

Las fuerzas de Van der Waals son interacciones intermoleculares débiles que se presentan entre moléculas neutras. Aunque son menos intensas que los enlaces covalentes, iónicos o metálicos, desempeñan un papel fundamental en las propiedades físicas de las sustancias, tales como el punto de ebullición, punto de fusión, viscosidad, solubilidad, volatilidad y estado físico.

Estas fuerzas incluyen las fuerzas de dispersión de London, las interacciones dipolo-dipolo y, en sentido amplio, algunas interacciones asociadas a dipolos inducidos. Su intensidad depende de factores como la masa molecular, la polarizabilidad, la forma molecular, la presencia de grupos funcionales y la polaridad de las moléculas.

En esta práctica se estudiarán experimentalmente algunas propiedades físicas relacionadas con las fuerzas intermoleculares, utilizando sustancias como n-hexano, ciclohexano, etanol, metanol, alcohol isopropílico, dietiléter, aceite de oliva, aceite de coco, parafina líquida, fenol y ácido acético glacial. A partir de observaciones sencillas, se analizará cómo las fuerzas de Van der Waals influyen en la solubilidad, volatilidad, viscosidad y miscibilidad de diferentes compuestos.

2. Objetivo general

Estudiar experimentalmente la influencia de las fuerzas de Van der Waals en algunas propiedades físicas de sustancias orgánicas e inorgánicas mediante pruebas de solubilidad, miscibilidad, volatilidad y viscosidad.

3. Objetivos específicos

• Reconocer la presencia e importancia de las fuerzas intermoleculares en sustancias de uso común en el laboratorio.
• Comparar la solubilidad y miscibilidad de diferentes compuestos en agua y solventes orgánicos.
• Relacionar la polaridad molecular con la intensidad de las interacciones intermoleculares.
• Observar diferencias de volatilidad entre sustancias con distintas masas moleculares y fuerzas intermoleculares.
• Analizar la relación entre viscosidad, estructura molecular y fuerzas de Van der Waals.

4. Fundamento teórico

4.1 Fuerzas intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares son interacciones que ocurren entre moléculas. Estas fuerzas determinan muchas propiedades físicas de las sustancias, como su estado de agregación, temperatura de ebullición, presión de vapor, tensión superficial y solubilidad.

Entre las principales fuerzas intermoleculares se encuentran:

• Fuerzas de dispersión de London.
• Interacciones dipolo-dipolo.
• Interacciones dipolo inducido-dipolo.
• Puentes de hidrógeno.

Aunque los puentes de hidrógeno suelen estudiarse de manera separada por su mayor intensidad relativa, también forman parte del conjunto de interacciones intermoleculares que explican el comportamiento físico de muchas sustancias.

4.2 Fuerzas de dispersión de London

Las fuerzas de dispersión de London se originan por la formación momentánea de dipolos instantáneos en las moléculas. Estas fuerzas están presentes en todas las sustancias, pero son especialmente importantes en moléculas no polares como el n-hexano, ciclohexano, benceno, parafina líquida y aceites.

Mientras mayor sea la masa molecular y la superficie de contacto entre moléculas, más intensas serán estas fuerzas. Por ello, sustancias como la parafina líquida o los aceites presentan mayor viscosidad y menor volatilidad que solventes como el dietiléter o el n-hexano.

4.3 Polaridad y solubilidad

La solubilidad de una sustancia depende en gran medida de la semejanza entre sus fuerzas intermoleculares y las del solvente. Este principio se resume en la expresión:

“Lo semejante disuelve a lo semejante”.

Las sustancias polares, como el etanol, metanol y ácido acético, tienden a mezclarse mejor con agua. En cambio, sustancias no polares, como n-hexano, ciclohexano, aceite de oliva, aceite de coco y parafina líquida, presentan poca o ninguna miscibilidad con el agua.

4.4 Volatilidad y fuerzas intermoleculares

La volatilidad se relaciona con la facilidad con que una sustancia pasa al estado gaseoso. Las sustancias con fuerzas intermoleculares débiles suelen evaporarse con mayor facilidad. Por ejemplo, el dietiléter y el n-hexano son más volátiles que la parafina líquida o los aceites, debido a que sus interacciones intermoleculares son menos intensas.

4.5 Viscosidad y fuerzas de Van der Waals

La viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir. Las sustancias con moléculas grandes o cadenas hidrocarbonadas largas suelen presentar fuerzas de dispersión de London más intensas, lo que aumenta su viscosidad. Por esta razón, líquidos como el aceite de oliva, aceite de coco o parafina líquida fluyen más lentamente que el etanol, metanol o dietiléter.

5. Materiales y reactivos

Materiales

• Tubos de ensayo.
• Gradilla.
• Pipetas o goteros.
• Vasos de precipitados pequeños.
• Varillas de agitación.
• Espátula.
• Cronómetro.
• Papel absorbente.
• Marcador para rotular.
• Guantes.
• Gafas de seguridad.
• Bata de laboratorio.

Reactivos sugeridos

• Agua destilada.
• n-Hexano.
• Ciclohexano.
• Dietiléter.
• Etanol.
• Metanol.
• Alcohol isopropílico.
• Ácido acético glacial.
• Aceite de oliva.
• Aceite de coco.
• Parafina líquida.
• Fenol, solo si el docente autoriza su uso.
• Benceno, solo como referencia teórica; no se recomienda su manipulación por estudiantes debido a su toxicidad.

6. Procedimiento experimental

Parte A: Comparación de miscibilidad en agua

1. Rotule cinco tubos de ensayo como A1, A2, A3, A4 y A5.
2. Agregue 3 mL de agua destilada a cada tubo.
3. Añada 1 mL de cada una de las siguientes sustancias:
• A1: etanol.
• A2: alcohol isopropílico.
• A3: n-hexano.
• A4: ciclohexano.
• A5: aceite de oliva.
4. Agite suavemente cada tubo durante 10 segundos.
5. Deje reposar durante 2 minutos.
6. Observe si se forma una sola fase o dos fases.
7. Registre las observaciones.

Parte B: Solubilidad en solvente orgánico no polar

1. Rotule cuatro tubos de ensayo como B1, B2, B3 y B4.
2. Agregue 3 mL de n-hexano o ciclohexano a cada tubo.
3. Añada 1 mL de cada sustancia:
• B1: aceite de oliva.
• B2: parafina líquida.
• B3: etanol.
• B4: ácido acético glacial.
4. Agite suavemente.
5. Observe si hay disolución completa, parcial o separación de fases.
6. Registre los resultados.

Parte C: Comparación cualitativa de volatilidad

1. Coloque una gota de cada sustancia sobre un papel absorbente separado:
• Dietiléter.
• Etanol.
• Alcohol isopropílico.
• n-Hexano.
• Parafina líquida.
2. Observe cuál se evapora más rápido.
3. Ordene las sustancias de mayor a menor volatilidad.
4. Relacione la volatilidad con la intensidad de las fuerzas intermoleculares.

Nota: Esta parte debe realizarse en un área ventilada y lejos de llamas o fuentes de calor.

Parte D: Comparación de viscosidad

1. Coloque 2 mL de cada sustancia en tubos de ensayo separados:
• Etanol.
• Alcohol isopropílico.
• Aceite de oliva.
• Aceite de coco.
• Parafina líquida.
2. Incline suavemente cada tubo al mismo ángulo.
3. Observe la velocidad con la que fluye cada líquido por la pared del tubo.
4. Clasifique las sustancias desde la menos viscosa hasta la más viscosa.
5. Relacione la viscosidad con el tamaño molecular y las fuerzas de dispersión de London.

7. Registro de datos

Experimento	Sustancia evaluada	Observaciones	Tipo de interacción predominante	Resultado obtenido
A	Etanol + agua		Polar / puente de hidrógeno
A	Alcohol isopropílico + agua		Polar / puente de hidrógeno
A	n-Hexano + agua		Dispersión de London
A	Ciclohexano + agua		Dispersión de London
A	Aceite de oliva + agua		Dispersión de London
B	Aceite de oliva + n-hexano		Dispersión de London
B	Parafina líquida + n-hexano		Dispersión de London
B	Etanol + n-hexano		Polar / dispersión
B	Ácido acético + n-hexano		Polar / dipolo-dipolo
C	Volatilidad		Según sustancia
D	Viscosidad		Según sustancia

 

8. Resultados y análisis

El estudiante deberá analizar los resultados obtenidos tomando en cuenta los siguientes aspectos:

• Identificar cuáles sustancias fueron miscibles con agua y cuáles no.
• Explicar por qué los alcoholes de cadena corta presentan mayor afinidad por el agua.
• Relacionar la falta de miscibilidad del n-hexano, ciclohexano, aceites y parafina con su carácter no polar.
• Comparar la volatilidad de los líquidos evaluados.
• Explicar por qué las sustancias más viscosas suelen presentar moléculas más grandes y mayores fuerzas de dispersión.
• Relacionar las observaciones experimentales con el principio “lo semejante disuelve a lo semejante”.

9. Conclusiones

Redacte conclusiones sobre:

• La importancia de las fuerzas de Van der Waals en las propiedades físicas de las sustancias.
• La relación entre polaridad molecular y solubilidad.
• La influencia del tamaño molecular sobre la volatilidad y la viscosidad.
• La utilidad de las observaciones experimentales para diferenciar sustancias polares y no polares.

10. Cuestionario

1. ¿Qué son las fuerzas de Van der Waals?
2. ¿Qué son las fuerzas de dispersión de London?
3. ¿Por qué el n-hexano no se mezcla con el agua?
4. ¿Por qué el etanol sí se mezcla con el agua?
5. ¿Qué relación existe entre masa molecular y fuerzas de dispersión?
6. ¿Por qué la parafina líquida es menos volátil que el dietiléter?
7. Explique el principio “lo semejante disuelve a lo semejante”.
8. ¿Qué relación existe entre viscosidad y fuerzas intermoleculares?
9. ¿Por qué los aceites no se disuelven en agua?
10. Ordene las siguientes sustancias de menor a mayor polaridad: n-hexano, etanol, agua, aceite de oliva.

11. Normas de seguridad

• Usar bata, guantes y gafas de seguridad durante toda la práctica.
• No oler directamente los reactivos.
• No ingerir ninguna sustancia.
• Manipular solventes orgánicos lejos de llamas o fuentes de calor.
• Trabajar en un área ventilada.
• Evitar el contacto directo con fenol, ácido acético glacial y otros reactivos corrosivos o tóxicos.
• No utilizar benceno en la práctica estudiantil debido a su toxicidad; puede mencionarse solo con fines teóricos.
• Desechar los residuos orgánicos en el recipiente indicado por el docente.
• Lavar las manos al finalizar la práctica.

12. Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2018). Química: La ciencia central (13.ª ed.). Pearson.

Chang, R., & Goldsby, K. (2016). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill Education.

Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). Química general: Principios y aplicaciones modernas (11.ª ed.). Pearson.

Zumdahl, S. S., & Zumdahl, S. A. (2014). Chemistry (9th ed.). Cengage Learning.