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Agua, amoníaco y sulfuro de hidrógeno: estructuras, propiedades y comparación

Publicado el 18 septiembre, 2020

Tendencias periódicas

Echemos un vistazo a la tabla periódica. Observe dónde se encuentra el oxígeno; a la izquierda del oxígeno tenemos nitrógeno, y justo debajo del oxígeno tenemos azufre. Recuerde que la tabla periódica está configurada de modo que los elementos de la misma fila o columna tengan atributos similares y que hay tendencias específicas a medida que avanzamos en la tabla. Por ejemplo, a medida que nos movemos de izquierda a derecha, aumentamos el carácter electronegativo de los elementos y, a medida que vamos de la parte inferior izquierda a la superior derecha, disminuimos las características metálicas.

Entonces, cuando hay dos elementos cercanos entre sí en la tabla periódica, tienden a tener atributos similares. Por ejemplo, el agua (H2O), el amoníaco (NH3) y el sulfuro de hidrógeno (H2S) deben ser moléculas muy similares. El oxígeno se encuentra justo al lado del nitrógeno y justo encima del sulfuro. A pesar de su ubicación, estas moléculas son sorprendentemente bastante diferentes entre sí.


Los elementos cercanos en la tabla periódica tienen atributos similares.
Tabla periódica

Propiedades del punto de ebullición

Una forma de comparar moléculas es comparando sus puntos de ebullición. El punto de ebullición se ve afectado por varios factores, uno de ellos es el tipo de fuerzas intermoleculares involucradas. Los cuatro tipos de fuerzas intermoleculares, de la más fuerte a la más débil, son:

  • Fuerzas iónicas
  • Enlaces de hidrógeno
  • Interacciones de Van der Waals
  • Fuerzas de Londres

Todo esto ocurre debido a que una carga positiva y negativa se atraen entre sí, como una carga negativa y positiva en un imán. La única diferencia es qué tan fuerte se forma la carga; cuanto más fuertes sean las fuerzas, más alto debe ser el punto de ebullición para romper esas fuerzas.

El enlace iónico se produce cuando dos moléculas tienen una carga completa positiva y negativa y se atraen entre sí. Los enlaces de hidrógeno se deben a que el hidrógeno tiene una electronegatividad mucho menor que la mayoría de los elementos. Cuando el hidrógeno está unido a otro elemento, más electrones tienden a fluir desde el hidrógeno hacia el otro elemento. Esto pone una carga positiva parcial en el hidrógeno y una carga negativa parcial en el otro elemento, por lo que hay una ligera interacción entre estas cargas. Esto es como con los enlaces iónicos, pero no tan fuertes porque no hay una carga completa positiva y negativa.

Van der Waals son como enlaces de hidrógeno, excepto que se aprovechan de las ligeras diferencias en la electronegatividad. Por ejemplo, el oxígeno es un poco más electronegativo que el carbono, pero la diferencia no es tan grande como entre el hidrógeno y el oxígeno. Finalmente, las fuerzas de Londres ocurren porque dentro de una molécula los electrones no siempre se distribuyen uniformemente, por lo que de vez en cuando se forma un ligero dipolo.

Amoníaco

Dado que el nitrógeno está en el grupo V, tiene cinco electrones en la capa exterior, que aumenta a medida que avanzamos de izquierda a derecha en la tabla periódica, pero permanece igual dentro de la columna. Por lo tanto, es necesario que haya tres hidrógenos conectados al nitrógeno para formar el octeto completo en amoníaco . El nitrógeno comienza con cinco electrones y el hidrógeno comparte un electrón con cada enlace, por lo que si hay tres hidrógenos, el nitrógeno ahora obtiene tres electrones más para un total de ocho electrones (un octeto).


El amoníaco tiene tres átomos de hidrógeno unidos, dejando un par solitario.
Amoníaco

Algunas de las propiedades del amoníaco incluyen tener un ángulo de enlace de 107,8 grados, un punto de fusión de -77,7 grados C y un punto de ebullición de -33,3 grados C.

Sulfuro de hidrógeno

El azufre está en la misma columna que el oxígeno, que es del grupo VI, por lo que el azufre tiene seis electrones de valencia. Para crear el octeto completo en sulfuro de hidrógeno , necesitamos unir dos átomos de hidrógeno. Comenzamos con seis, más los 2 que comparten los dos electrones de los enlaces de hidrógeno; 6 + 2 = 8, ¡así que tenemos el octeto completo!


El sulfuro de hidrógeno tiene dos átomos de hidrógeno unidos, dejando dos pares solitarios.
Sulfuro de hidrógeno

Algunas propiedades del sulfuro de hidrógeno incluyen tener un ángulo de enlace de 92,1 grados, un punto de fusión de -82 grados C y un punto de ebullición de -60 grados C.

Agua

Al igual que el azufre, el oxígeno está en el grupo VI y tiene seis electrones de valencia. Una vez más, con el agua se conecta a dos átomos de hidrógeno para formar el octeto completo.


El agua tiene dos átomos de hidrógeno unidos, dejando dos pares solitarios.
Molécula de agua

Algunas propiedades del agua incluyen tener un ángulo de enlace de 104,5 grados, un punto de fusión de 0 grados C y un punto de ebullición de 100 grados C.

Podemos ver que de repente el punto de fusión y los puntos de ebullición son mucho más altos para el agua que para el amoníaco y el sulfuro de hidrógeno. Esta no es una tendencia esperada. Entonces, ¿qué causa esta diferencia extrema?

Comparación de moléculas

Observemos cada una de estas moléculas para determinar por qué el agua tiene un punto de ebullición mucho más alto que las demás. La fuerza fuerte se relaciona con las fuerzas iónicas, pero no hay fuerzas iónicas intermoleculares en juego con ninguna de las moléculas, así que no es así.


Cada molécula de agua tiene la capacidad de formar enlaces de hidrógeno con cuatro moléculas.
Enlace de hidrógeno agua

Todas estas moléculas tienen un enlace de hidrógeno a otra molécula, por lo que existe la posibilidad de que se produzcan enlaces de hidrógeno. Entre el nitrógeno, el azufre y el oxígeno, el oxígeno es el más electronegativo. Ya sabemos que habrá el dipolo más fuerte en el agua, por lo que ya tiene sentido que el agua tenga un punto de ebullición un poco más alto. Finalmente, no hay fuerzas de Van der Waals o de Londres en juego.


Aunque el sulfuro de hidrógeno tiene una ligera diferencia electronegativa, se pueden formar muy pocos enlaces de hidrógeno porque el azufre es muy grande.
Enlaces de hidrógeno de sulfuro de hidrógeno

Hay otra cosa que debemos tener en cuenta: el ángulo de enlace. El ángulo de enlace permite que se formen múltiples enlaces de hidrógeno, lo que hace que la estructura sea aún más estable. Cada molécula de agua tiene el potencial de formar cuatro enlaces de hidrógeno. El azufre es mucho más grande que el oxígeno, por lo que interfiere con la capacidad de formar enlaces de hidrógeno. Dado que el amoníaco tiene tres átomos de hidrógeno alrededor del nitrógeno, no hay forma de que el nitrógeno forme un enlace de hidrógeno.


El nitrógeno está rodeado de átomos de hidrógeno, por lo que no puede formar enlaces de hidrógeno.
Enlaces de hidrógeno de amoniaco

Resumen de la lección

El agua , el amoníaco y el sulfuro de hidrógeno aparecen en ubicaciones similares en la tabla periódica, por lo que esperaríamos que tuvieran atributos similares. Pero, debido a la naturaleza más electronegativa del oxígeno y los ángulos de enlace en el agua, se pueden formar enlaces de hidrógeno adicionales. ¡Esto conduce a un punto de ebullición y fusión más alto del agua!

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