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Física y Química 3.º ESO · El enlace covalente: sustancias moleculares y redes

Sustancias moleculares

Objetivo: Al terminar, sabrás reconocer las sustancias moleculares (formadas por moléculas de átomos no metálicos unidos por enlace covalente), interpretar lo que indica su fórmula y explicar sus propiedades: bajas temperaturas de fusión y ebullición, no conducen la electricidad y solubilidad variable.

Explicación

¿Qué es una sustancia molecular?

Cuando varios átomos de no metales se unen mediante enlaces covalentes, forman moléculas: grupos pequeños de átomos, todos iguales entre sí en una misma sustancia. Una sustancia molecular está formada por un número enorme de moléculas iguales.

Ejemplos: oxígeno ( $\text{O}_2$ ), nitrógeno ( $\text{N}_2$ ), agua ( $\text{H}_2\text{O}$ ), dióxido de carbono ( $\text{CO}_2$ ), metano ( $\text{CH}_4$ ), amoníaco ( $\text{NH}_3$ ), alcohol etílico o etanol ( $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ ), azúcar de mesa o sacarosa ( $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$ ).

La fórmula indica los átomos de cada molécula. $\text{H}_2\text{O}$ : cada molécula tiene 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno. $\text{NH}_3$ : 1 de nitrógeno y 3 de hidrógeno (el subíndice 1 no se escribe).

Dos tipos de uniones muy distintas

Dentro de cada molécula: los átomos están unidos por enlaces covalentes, que son fuertes.
Entre una molécula y otra: solo hay fuerzas intermoleculares, que son débiles.

Al fundir o hervir una sustancia molecular no se rompen las moléculas: solo se separan unas de otras venciendo esas fuerzas débiles. Por eso el vapor de agua sigue siendo $\text{H}_2\text{O}$ .

Propiedades de las sustancias moleculares

Temperaturas de fusión y ebullición bajas. Muchas son gases a temperatura ambiente ( $\text{O}_2$ , $\text{N}_2$ , $\text{CO}_2$ , $\text{CH}_4$ ), otras líquidos (agua, etanol) y algunas sólidos que funden con facilidad (azúcar, yodo, naftalina).
En general no conducen la electricidad, ni sólidas, ni líquidas, ni disueltas: sus moléculas no tienen carga eléctrica. (Hay pocas excepciones, como el cloruro de hidrógeno, que al disolverse en agua reacciona con ella y forma iones.)
Solubilidad variable: algunas se disuelven bien en agua (azúcar, alcohol, amoníaco) y otras casi nada (aceite, oxígeno); muchas se disuelven en disolventes como la gasolina o la acetona.
Las sólidas son blandas y se rompen o se rayan fácilmente.

Sustancia	Fusión (°C, aprox.)	Ebullición (°C, aprox.)	Estado a 20 °C
Oxígeno, $\text{O}_2$	−218	−183	gas
Metano, $\text{CH}_4$	−182	−162	gas
Agua, $\text{H}_2\text{O}$	0	100	líquido
Etanol, $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$	−114	78	líquido
Yodo, $\text{I}_2$	114	184	sólido
Cloruro de sodio, NaCl (iónico, para comparar)	801	1465	sólido

Puntos clave

Una sustancia molecular está formada por moléculas: átomos de no metales unidos por enlaces covalentes.
La fórmula molecular indica cuántos átomos de cada elemento hay en una molécula.
Dentro de la molécula, enlaces covalentes fuertes; entre moléculas, fuerzas débiles.
Al fundir o hervir se separan las moléculas, pero no se rompen.
Tienen temperaturas de fusión y ebullición bajas: muchas son gases o líquidos a temperatura ambiente.
No conducen la electricidad en ningún estado; su solubilidad en agua depende de la sustancia.

Errores frecuentes

ErrorCreer que al hervir el agua se rompen sus moléculas en hidrógeno y oxígeno.
Cómo corregirloAl hervir solo se separan unas moléculas de otras (fuerzas débiles). El vapor sigue siendo $\text{H}_2\text{O}$ . Para romper las moléculas hace falta una reacción química, como la electrólisis.
ErrorPensar que, como el enlace covalente es fuerte, las sustancias moleculares deben fundir a temperaturas altas.
Cómo corregirloAl fundir no se rompen los enlaces covalentes, sino las uniones débiles entre moléculas. Por eso funden y hierven a temperaturas bajas.
ErrorDecir que el agua azucarada conduce la electricidad «porque está disuelto».
Cómo corregirloPara conducir hacen falta partículas con carga que se muevan. Las moléculas de azúcar son neutras: su disolución no conduce. La de sal sí, porque la sal está formada por iones.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. ¿Qué se rompe cuando hierve el agua? situación real (modelo de partículas)
Pones a hervir agua en una cazuela para hacer pasta. a) ¿Qué les pasa a las moléculas de agua cuando el agua hierve? b) ¿Las burbujas son de hidrógeno y oxígeno? c) ¿Por qué basta con 100 °C para que el agua hierva?

Resolución
a) Al calentar, las moléculas de $\text{H}_2\text{O}$ se mueven cada vez más deprisa hasta que se separan unas de otras y pasan al gas. Cada molécula sigue entera: el oxígeno sigue unido a sus dos hidrógenos por enlaces covalentes.

b) No. Las burbujas son de vapor de agua, es decir, moléculas de $\text{H}_2\text{O}$ en estado gaseoso. Si las moléculas se rompieran, tendríamos otras sustancias distintas, y eso sería un cambio químico.

c) Porque para hervir solo hay que vencer las fuerzas entre moléculas, que son débiles, no los enlaces covalentes. Por eso 100 °C es suficiente (para fundir la sal de cocina, en cambio, hacen falta unos 801 °C).

Dibujo: en el líquido, moléculas H–O–H juntas y desordenadas; en el gas, las mismas moléculas H–O–H muy separadas.
Ejemplo 2. Leer una tabla de temperaturas datos en una tabla (numérico)
Con los datos aproximados de la tabla de la explicación: a) ¿En qué estado están el metano, el etanol y el yodo a 20 °C? b) ¿Qué tienen en común las temperaturas de fusión de las sustancias moleculares comparadas con la del cloruro de sodio? c) En un día de invierno en Madrid a −5 °C, ¿en qué estado estaría el agua? ¿Y el etanol?

Resolución
Regla: si la temperatura está por debajo de la de fusión, sólido; entre fusión y ebullición, líquido; por encima de la de ebullición, gas.

a) A 20 °C:
- Metano: 20 °C > −162 °C (ebullición) → gas.
- Etanol: −114 °C < 20 °C < 78 °C → líquido.
- Yodo: 20 °C < 114 °C (fusión) → sólido.
b) Todas las moleculares funden por debajo de unos 120 °C (muchas, muy por debajo de 0 °C), mientras que el cloruro de sodio, que es iónico, funde a unos 801 °C. Las sustancias moleculares tienen temperaturas de fusión bajas.

c) A −5 °C: agua, −5 °C < 0 °C → sólido (hielo); etanol, −114 °C < −5 °C < 78 °C → líquido. Por eso el alcohol se usa en algunos anticongelantes.
Ejemplo 3. Azúcar frente a sal experimental
En el laboratorio preparamos dos vasos: uno con agua y azúcar disuelto y otro con agua y sal disuelta. Metemos en cada uno dos electrodos conectados a una pila y a un LED. Después, calentamos un poco de cada sólido en una cuchara metálica con un mechero. ¿Qué esperas observar y por qué?

Resolución
Conductividad:
- Agua con azúcar: el LED no se enciende. El azúcar ( $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$ ) es una sustancia molecular: al disolverse, sus moléculas se separan, pero son neutras y no transportan corriente.
- Agua con sal: el LED se enciende. La sal (cloruro de sodio, NaCl) es iónica: al disolverse quedan libres iones $\text{Na}^{+}$ y $\text{Cl}^{-}$ , que sí conducen.
Calentamiento:
- El azúcar se funde enseguida (hacia unos 186 °C empieza a fundirse y a convertirse en caramelo): temperatura de fusión baja, típica de una sustancia molecular.
- La sal no se funde con el mechero de la cuchara: necesita unos 801 °C.
Conclusión: dos sólidos blancos que parecen iguales tienen propiedades muy distintas porque están formados por partículas distintas (moléculas frente a iones).

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Indica cuáles de estas sustancias son moleculares y justifica tu respuesta: oxígeno ( $\text{O}_2$ ), cloruro de sodio ( $\text{NaCl}$ ), dióxido de carbono ( $\text{CO}_2$ ), hierro ( $\text{Fe}$ ), metano ( $\text{CH}_4$ ), agua ( $\text{H}_2\text{O}$ ) y óxido de magnesio ( $\text{MgO}$ ).
Ver solución
Moleculares: O₂, CO₂, CH₄ y H₂O. No lo son NaCl, MgO (iónicas) ni Fe (metálica).
Las sustancias moleculares están formadas solo por no metales unidos por enlace covalente.
- $\text{O}_2$ , $\text{CO}_2$ , $\text{CH}_4$ y $\text{H}_2\text{O}$ : solo no metales → moleculares.
- $\text{NaCl}$ y $\text{MgO}$ : metal + no metal → iónicas.
- $\text{Fe}$ : metal → metálica.
2. Fácil
¿Cuántos átomos de cada elemento hay en una molécula de cada sustancia? ¿Cuántos átomos hay en total en cada molécula? a) Agua, $\text{H}_2\text{O}$ b) Amoníaco, $\text{NH}_3$ c) Dióxido de carbono, $\text{CO}_2$ d) Sacarosa (azúcar de mesa), $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$

Ver solución
a) 2 H y 1 O: 3. b) 1 N y 3 H: 4. c) 1 C y 2 O: 3. d) 12 C, 22 H y 11 O: 45.
El subíndice indica el número de átomos del elemento que lo lleva; si no hay subíndice, es 1. a) 2 H + 1 O = 3 átomos. b) 1 N + 3 H = 4 átomos. c) 1 C + 2 O = 3 átomos. d) 12 C + 22 H + 11 O = 45 átomos.
3. Media
El gas de las bombonas naranjas es butano ( $\text{C}_4\text{H}_{10}$ ), una sustancia molecular. Funde a unos −138 °C y hierve a unos −0,5 °C. a) ¿En qué estado está el butano a 20 °C? b) Dentro de la bombona está a presión y en parte líquido. Una noche de enero a −5 °C, en una terraza de Madrid, ¿en qué estado estaría el butano a presión normal? c) ¿Por qué crees que en invierno muy frío las estufas de butano que están fuera «dan menos gas»?

Ver solución
a) Gas. b) Líquido. c) Porque a temperaturas por debajo de su ebullición le cuesta pasar a gas.
a) 20 °C > −0,5 °C (ebullición) → gas. b) −138 °C < −5 °C < −0,5 °C → líquido. c) Para que salga gas de la bombona, el butano líquido tiene que evaporarse. Cuando la temperatura está por debajo de su temperatura de ebullición, se evapora muy poco y sale poco gas. Es la misma idea: temperaturas de ebullición bajas, pero no tanto como para que hierva a −5 °C.
4. Media
El hielo seco es dióxido de carbono sólido ( $\text{CO}_2$ ). A presión normal pasa directamente de sólido a gas a unos −78 °C (sublimación) y se usa para conservar helados. a) ¿Se rompen las moléculas de $\text{CO}_2$ al sublimar? b) Dibuja con un modelo de partículas el hielo seco y el gas que desprende. c) ¿Qué se vence al sublimar: los enlaces covalentes o las fuerzas entre moléculas?

Ver solución
a) No. b) Moléculas O=C=O juntas y ordenadas en el sólido; las mismas moléculas separadas y desordenadas en el gas. c) Las fuerzas entre moléculas.
a) No: el gas que sale sigue siendo $\text{CO}_2$ ; cada molécula conserva sus enlaces dobles $\text{O}=\text{C}=\text{O}$ . b) Sólido: moléculas O=C=O muy juntas y ordenadas. Gas: las mismas moléculas O=C=O muy separadas y moviéndose en todas direcciones. c) Se vencen las fuerzas entre moléculas, que son débiles: por eso basta una temperatura tan baja como −78 °C.
5. Difícil
En el laboratorio tenemos dos sólidos blancos sin etiqueta y anotamos esto:
- Sólido X: funde a unos 80 °C; no conduce la electricidad, ni sólido ni fundido; no se disuelve en agua, pero sí en gasolina.
- Sólido Y: no funde con el mechero (funde a unos 801 °C); se disuelve en agua y la disolución conduce la electricidad. ¿Cuál de los dos es una sustancia molecular? Justifica con al menos tres propiedades.
Ver solución
X es molecular (es naftalina); Y no lo es (es cloruro de sodio, iónico).
El sólido X es molecular:
1. Funde a una temperatura baja (80 °C): solo hay que separar moléculas unidas por fuerzas débiles.
2. No conduce en ningún estado: sus partículas son moléculas neutras.
3. No se disuelve en agua pero sí en gasolina: solubilidad propia de muchas sustancias moleculares. (Es naftalina, la de las bolas antipolillas.)
El sólido Y no es molecular: funde a temperatura muy alta y su disolución conduce, lo que indica que está formado por iones (es cloruro de sodio, sal común).

Para practicar más

1. Fácil
Di si son verdaderas o falsas y corrige las falsas: a) Las sustancias moleculares están formadas por átomos de metales. b) Muchas sustancias moleculares son gases a temperatura ambiente. c) Una disolución de azúcar en agua conduce la electricidad. d) Al fundir el hielo se rompen los enlaces entre el oxígeno y el hidrógeno.

Ver solución
a) F. b) V. c) F. d) F.
a) Falsa: están formadas por átomos de no metales unidos por enlace covalente. b) Verdadera: $\text{O}_2$ , $\text{N}_2$ , $\text{CO}_2$ , $\text{CH}_4$ … c) Falsa: el azúcar está formado por moléculas neutras; su disolución no conduce. d) Falsa: al fundir solo se separan unas moléculas de otras; los enlaces O–H de cada molécula no se rompen.
2. Fácil
Indica cuántos átomos de cada elemento y cuántos átomos en total tiene una molécula de: a) Peróxido de hidrógeno (agua oxigenada), $\text{H}_2\text{O}_2$ b) Fósforo blanco, $\text{P}_4$ c) Ácido acético (el del vinagre), $\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2$ d) Glucosa, $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

Ver solución
a) 2 H y 2 O: 4. b) 4 P: 4. c) 2 C, 4 H y 2 O: 8. d) 6 C, 12 H y 6 O: 24.
a) 2 + 2 = 4 átomos. b) 4 átomos de fósforo: 4 átomos (es una sustancia simple: molécula de un solo tipo de átomo). c) 2 + 4 + 2 = 8 átomos. d) 6 + 12 + 6 = 24 átomos.

3. Media

Con estos datos aproximados, indica el estado de cada sustancia molecular a 25 °C:

Sustancia	Fusión (°C)	Ebullición (°C)
Amoníaco, $\text{NH}_3$	−78	−33
Bromo, $\text{Br}_2$	−7	59
Yodo, $\text{I}_2$	114	184
Etanol, $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$	−114	78

Ver solución

Amoníaco: gas. Bromo: líquido. Yodo: sólido. Etanol: líquido.

Amoníaco: 25 °C > −33 °C → gas.
Bromo: −7 °C < 25 °C < 59 °C → líquido.
Yodo: 25 °C < 114 °C → sólido.
Etanol: −114 °C < 25 °C < 78 °C → líquido. Las cuatro tienen temperaturas de fusión y ebullición bajas, como corresponde a sustancias moleculares.

4. Media
Al echarte alcohol de la farmacia en la mano, notas frío y en pocos segundos desaparece. a) ¿Qué cambio de estado se produce? b) ¿Se rompen las moléculas de etanol? c) Explica por qué ocurre a temperatura ambiente.

Ver solución
a) Evaporación (líquido → gas). b) No. c) Porque las fuerzas entre las moléculas de etanol son débiles y su temperatura de ebullición es baja (unos 78 °C).
a) El etanol líquido pasa a gas: evaporación. b) No: las moléculas de $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ se separan unas de otras y pasan al aire enteras. c) Entre las moléculas solo hay fuerzas débiles, fáciles de vencer; por eso el etanol hierve a solo unos 78 °C y se evapora con rapidez a la temperatura de la piel. Para evaporarse toma calor de la mano: por eso notas frío.
5. Difícil
Lucía razona así: «El enlace covalente entre el oxígeno y el hidrógeno es muy fuerte. Por tanto, el agua debería hervir a una temperatura altísima, como la sal». Explica en qué se equivoca, usando las palabras enlace covalente, molécula y fuerzas entre moléculas.
Ver solución
Al hervir no se rompen los enlaces covalentes (que están dentro de cada molécula), sino las fuerzas entre moléculas, que son débiles.
Lucía confunde dos uniones distintas:
- El enlace covalente O–H es fuerte, pero está dentro de cada molécula de agua, y al hervir no se rompe: el vapor sigue siendo $\text{H}_2\text{O}$ .
- Lo que se vence al hervir son las fuerzas entre moléculas, que son débiles. Por eso el agua hierve a 100 °C. En la sal no hay moléculas: hay iones unidos todos con todos por fuerzas fuertes, y para fundirla hay que separarlos (unos 801 °C).