¿Por qué las moléculas con mayor masa molecular relativa tienen fuerzas intermoleculares más fuertes?

Question

¿Por qué moléculas como los alcanos con mayor masa molecular relativa masa molecular relativa ( $M_\mathrm r$ ) tienen fuerzas intermoleculares más fuertes? Por ejemplo, el metano ( $\ce{CH4}$ ) tiene una fuerza intermolecular más débil que el pentano ( $\ce{C5H12}$ ). El pentano tiene un mayor $M_\mathrm r$ que el metano y, por tanto, el pentano posee una fuerza intermolecular más fuerte que el metano. Son miembros de la misma familia en la serie homóloga, conocida como alcanos.

Mi pregunta es ¿por qué el pentano tiene una fuerza intermolecular más fuerte que el metano? ¿Por qué existe una relación entre la masa molecular relativa ( $M_\mathrm r$ ) y las fuerzas intermoleculares. Cuanto más fuerte es la fuerza intermolecular, más alto es el punto de ebullición y el punto de fusión?

Answer 1

Hay muchas razones por las que algunas moléculas tienen FMI más fuertes que otras, pero la tendencia de aumentar el FMI para aumentar la masa molecular relativa ( $M_\mathrm r$ ) se debe a un aumento de las fuerzas de dispersión de Londres, que forman parte del conjunto mayor de fuerzas de Van der Waals. Como puede o no saber, estos alcanos son moléculas no polares (es decir, no tienen un dipolo interno real ). $\ce{C-C}$ son no polares y la electronegatividad del $\ce{C-H}$ está lo suficientemente cerca como para que esos enlaces se consideren también no polares). Esto es importante porque las interacciones polares son una FMI relativamente fuerte.

Hagamos un desvío hacia las distribuciones electrónicas. Normalmente, los electrones tienen la mayor probabilidad de estar distribuidos uniformemente entre los átomos de una molécula, proporcional a la electronegatividad de esos átomos. Dicho esto, ese es sólo el estado más probable, por lo que, por supuesto, hay veces en que los e- NO están distribuidos uniformemente. ¿Recuerdas que los alcanos normalmente no son polares? Pues bien, cuando los electrones se desequilibran en la molécula, ¡sorpresa! Un Dipolo instantáneo se introduce temporalmente.

¿Qué significa esto? Pues bien, cuando un alcano se encuentra junto a otro alcano que está sometido a un dipolo instantáneo, las fuerzas electrostáticas del alcano cuasi-polarizado hacen que el otro alcano alcance también una distribución asimétrica de electrones, lo que le hace ganar una polaridad temporal, y este efecto atrae a estas moléculas a la vez que se propaga por las moléculas circundantes.

Así que ahora que se entiende un poco lo que son los LDF o dipolos instantáneos, ¿por qué la tendencia con el peso molecular? La respuesta corta es que las moléculas más grandes tienen más e-, y se ven más afectadas por los LDF que las moléculas más pequeñas con menos e-. Con más electrones y más átomos en los que se distribuyen esos electrones, hay más posibilidades de que haya dipolos instantáneos frecuentes o grandes, lo que aumenta las fuerzas de Van der Waals en general.

Answer 2

En el caso de los alcanos, con el aumento de la masa molecular, el número de átomos de una molécula también aumenta, lo que significa un aumento de la longitud de la cadena de las moléculas. Una molécula con una gran longitud de cadena experimenta fuerzas de dispersión de Londres más fuertes. La razón es que las moléculas más largas tienen más lugares donde pueden ser atraídas por otras moléculas. Esta es la razón por la que el pentano (molécula de cadena más larga) experimenta fuerzas de atracción intermoleculares más fuertes que el metano. Como los alcanos no son polares, sólo presentan fuerzas de dispersión de Londres.

Answer 3

Las moléculas más grandes tienen nubes de electrones más grandes y, por tanto, enlaces dipolares más fuertes inducidos instantáneamente.