LAS FUERZAS INTERMOLECULARES Y LOS LIQUIDOS Y SOLIDOS
LAS FUERZAS INTERMOLECULARES INTRODUCCIN
Aunque vivimos inmersos en la mezcla de gases que forman la
atmsfera de la tierra, estamos ms familiarizados con el
comportamiento de los lquidos y slidos, porque son ms tangibles,
llamados estados condensados de la materia,
LA TEORIA CINTICA MOLECULAR DE LQUIDOS Y SLIDOS
Los lquidos y los slidos son otra historia. La diferencia
principal entre los estados condensados y el estado gaseoso es la
distancia entre las molculas. En los lquidos las molculas estn tan
juntas que hay muy poco espacio vaco; por ello son ms difciles de
comprimir y, en condiciones normales, son mucho ms densos que los
gases. En un lquido, las molculas se mantienen juntas por uno o ms
tipos de fuerzas de atraccin. En un slido, las molculas se
mantienen en posicin rgida y prcticamente no tienen libertad para
moverse. PROPIEDADES CARACTERSTICAS DE LAS TRES FASES DE LA
MATERIA: GASES, LQUIDOS Y
SLIDOSESTADOVOLUMEN-FORMADENSIDADCOMPRESIBILIDADMOVIMIENTO DE
MOLCULAS
GASAdopta el volumen y la forma del recipiente que lo
contiene.BajaMuy compresibleMovimiento muy libre
LQUIDOTiene un volumen definido, pero adopta la forma del
recipiente que lo contiene.AltaSlo ligeramente compresibleSe
deslizan entre s libremente
SLIDOTiene un volumen y forma definidosAltaVirtualmente
incompresibleVibraciones alrededor de posiciones fijas
FUERZAS INTERMOLECULARES
Las fuerzas intermoleculares son fuerzas de atraccin entre las
molculas. Son importantes o ejercen an ms influencia en las fases
condensadas de la materia, es decir, en los slidos y en los lquidos
y muy poco en los gases. A medida que baja la temperatura de un gas
disminuye la energa cintica promedio de sus molculas. As, a una
temperatura suficientemente baja, las molculas ya no tienen la
energa suficiente para liberarse de la atraccin de las molculas
vecinas. En este momento, las molculas se acercan entre s y forman
pequeas gotas de lquido. Esta transicin de la fase gaseosa a la
fase lquida se conoce como condensacin.Las fuerzas intramoleculares
mantienen juntos a los tomos de una molcula, participan en el
enlace qumico, estabilizan a las molculas individuales. En general,
las fuerzas intermoleculares son ms dbiles que las fuerzas
intramoleculares, por ello, se necesita menos energa para evaporar
un lquido que para romper los enlaces de sus molculas.
Las fuerzas intermoleculares son las principales responsables de
las propiedades macroscpicas de la materia como por ejemplo, el
estado de agregacin, la solubilidad, la tensin superficial, el P.
F., P. E., densidad, etc.Para comprender las propiedades de la
materia condensada es necesario entender los diferentes tipos de
fuerzas intermoleculares:
FUERZAS ION-ION
Son las que se establecen entre iones de igual o distinta carga:
Los iones con cargas de signo opuesto se atraen
Los iones con cargas del mismo signo se repelen
La magnitud de la fuerza electrosttica viene definida por la ley
de Coulomb, la cual establece que la energa potencial (E) entre dos
iones es directamente proporcional al producto de sus cargas e
inversamente proporcional a la distancia que las separa.
LiFL+ + F- QLi+ x QF-E = k
r
FUERZAS ION-DIPOLO
Son las que se establecen entre un ion y una molcula polar.
Por ejemplo, el NaCl se disuelve en agua por la atraccin que
existe entre los Na+ y Cl- y los correspondientes polos con carga
opuesta de la molcula de agua. Esta solvatacin de los iones es
capaz de vencer las fuerzas que los mantienen juntos en el estado
slido.
La capa de agua de hidratacin que se forma en torno a ciertas
protenas y que resulta tan importante para su funcin tambin se
forma gracias a estas interacciones.
Figura 11.2 Dos tipos de interaccin in-dipoloFUERZAS ION-DIPOLO
INDUCIDO
Tienen lugar entre un ion y una molcula apolar. La proximidad
del ion provoca una distorsin en la nube electrnica de la molcula
apolar que se convierte, transitoriamente, en una molcula
polarizada. En este momento se produce una atraccin entre el ion y
la molcula polarizada.
Un ejemplo es la interaccin entre el Fe2+ de la hemoglobina y la
molcula de O2, que es apolar. Esta interaccin es la que permite la
unin reversible del O2 a la hemoglobina y el transporte de O2 desde
los pulmones hacia los tejidos. FUERZAS HIDROFBICAS
En un medio acuoso, las molculas hidrofbicas tienden a asociarse
por el simple hecho de que evitan interaccionar con el agua. Lo
hacen por razones termodinmicas: las molculas hidrofbicas se
asocian para inimizar el nmero de molculas de agua que puedan estar
en contacto con las molculas hidrofbicas. Este fenmeno se denomina
efecto hidrofbico y es el responsable de que determinados lpidos
formen agregados supramoleculares. Son ejemplos de fuerzas
hidrofbicas:
Las que se establecen entre los fosfolpidos que forman las
membranas celulares (forman bicapas). Las que se establecen en el
interior de una micela durante la digestin de los lpidos. Las que
hacen que los aminocidos hidrofbicos se apien en el interior de las
protenas globulares.FUERZAS DE VAN DER WAALS
Estas fuerzas intermoleculares se denominan fuerzas de Van der
Waals, en reconocimiento al fsico holands Johannes Van der Waals.
El trmino "fuerzas de Van der Waals" engloba colectivamente a las
fuerzas de atraccin entre las molculas. Son fuerzas de atraccin
dbiles que se establecen entre molculas elctricamente neutras
(tanto polares como no polares), pero son muy numerosas y desempean
un papel fundamental en multitud de procesos biolgicos.
Las fuerzas de Van der Waals incluyen:
1.- Fuerzas dipolo-dipolo (tambin llamadas fuerzas de Keesom),
entre las que se incluyen los puentes de hidrgeno.
2.- Fuerzas dipolo-dipolo inducido (tambin llamadas fuerzas de
Debye). 3.- Fuerzas dipolo instantneo-dipolo inducido (tambin
llamadas fuerzas de dispersin o fuerzas de London). FUERZAS
DIPOLO-DIPOLOUna molcula es un dipolo cuando existe una distribucin
asimtrica de los electrones debido a que la molcula est formada por
tomos de distinta electronegatividad. Como consecuencia de ello,
los electrones se encuentran preferentemente en las proximidades
del tomo ms electronegativo. Se crean as dos regiones (o polos) en
la molcula, una con carga parcial negativa y otra con carga parcial
positiva.
Figura 11.1 Las molculas que tienen un momento dipolo permanente
tienden a alinearse con las polaridades opuestas en la fase slida
para lograr la atraccin mxima.Cuando dos molculas polares (dipolos)
se aproximan, se produce una atraccin entre el polo positivo de una
de ellas y el negativo de la otra. Esta fuerza de atraccin entre
dos dipolos es tanto ms intensa cuanto mayor es la polarizacin de
dichas molculas polares o, dicho de otra forma, cuanto mayor sea la
diferencia de electronegatividad entre los tomos enlazados.En el
fluoruro de hidrgeno, que es una molcula covalente con un enlace
polar, por ejemplo, el F es ms electronegativo que el H porque su
ncleo, atrae a los e- compartidos con el H con ms fuerza que el
ncleo del H, con una sola carga positiva.Por lo tanto, los e-
compartidos por covalencia estarn ms prximos al F que al H y la
molcula forma un dipolo permanente.Un ejemplo particularmente
interesante de las interacciones dipolo-dipolo son los puentes de
hidrgeno.Cuando se encuentran a una distancia moderada, las
molculas se atraen entre s pero, cuando sus nubes electrnicas
empiezan a solaparse, las molculas se repelen con fuerza.
FUERZAS DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO Tienen lugar entre una molcula
polar y una molcula apolar. En este caso, la carga de una molcula
polar provoca una distorsin en la nube electrnica de la molcula
apolar y la convierte, de modo transitorio, en un dipolo. En este
momento se establece una fuerza de atraccin entre las molculas.
Gracias a esta interaccin, gases apolares como el O2, el N2 o el
CO2 se pueden disolver en agua.FUERZAS DIPOLO INSTANTNEO-DIPOLO
INDUCIDO Tambin se llaman fuerzas de dispersin o fuerzas de London.
En muchos textos, se identifican con las fuerzas de Van der Waals,
lo que puede generar cierta confusin.
Las fuerzas de dispersin son fuerzas atractivas dbiles que se
establecen fundamentalmente entre sustancias no polares, aunque
tambin estn presentes en las sustancias polares. Se deben a las
irregularidades que se producen en la nube electrnica de los tomos
de las molculas por efecto de la proximidad mutua. La formacin de
un dipolo instantneo en una molcula origina la formacin de un
dipolo inducido en una molcula vecina de manera que se origina una
dbil fuerza de atraccin entre las dos.
Estas fuerzas son mayores al aumentar el tamao y la asimetra de
las molculas. Son mnimas en los gases nobles (He, Ne), algo mayores
en los gases diatmicos (H2, N2, O2) y mayores an en los gases
poliatmicos (O3, CO2). Las fuerzas de dispersin aumentan con la
masa molar. Como las molculas con mayor masa molar tienden a tener
ms electrones, las fuerzas de dispersin aumentan con el nmero de
electrones. Adems, una mayor masa molar a menudo indica un tomo ms
grande cuya distribucin electrnica se altera con ms facilidad
porque los electrones externos estn unidos con menos fuerza por el
ncleo.
Figura 11.4 a) Distribucin esfrica de la carga en un tomo de
helio. b) Distorsin ocasionada por el acercamiento de un catin. c)
Distorsin ocasionada por el acercamiento de un dipolo.
Figura 11.5 Interaccin entre dipolos inducidos. Estos patrones
existen tan slo momentneamente; al instante siguiente, se
distribuyen de otra forma. Este tipo de interaccin es responsable
de la condensacin de los gases no polares.El siguiente ejercicio
muestra que si se conocen los tipos de especies presentes, se
pueden determinar con rapidez los tipos de fuerzas intermoleculares
que existen entre ellas.EJEMPLO 11.1
Qu tipo de fuerzas intermoleculares existen entre los siguientes
pares de compuestos?
a) HBr y H2S; b) Cl2 y CBr4; c) I2 y (NO3)-, d) NH3 y C6H6.
Respuesta:
a) Tanto el HBr como el H2S son molculas polares, de modo que
las fuerzas que existen entre ellas son dipolo-dipolo. Tambin hay
fuerzas de dispersin.
b) El Cl2 y el CBr4 son molculas no polares, por lo que slo hay
fuerzas de dispersin entre sus molculas.
c) el I2 es una molcula no polar, as que las fuerzas que existen
con el (NO3)- son de tipo ion-dipolo inducido y fuerzas de
dispersin.
d) El NH3 es una molcula polar y el C6H6 es no polar, entonces
las fuerzas entre estos compuestos son dipolo-dipolo inducido y
fuerzas de dispersin.EJEMPLO 11.10
Mencione los tipos de fuerzas intermoleculares que hay entre las
molculas o unidades bsicas en cada una de las siguientes
especies:
a) C6H6; b) CH3Cl; c) PF3; d) NaCl y e) CS2.
Respuesta:
a) C6H6,fuerzas de dispersin;
b) CH3Cl fuerzas de dispersin y fuerzas dipolo-dipolo;
c) PF3 fuerzas de dispersin y fuerzas dipolo-dipolo;
d) NaCl fuerzas de dispersin y fuerzas ion-ion; y
e) CS2 fuerzas de dispersin.
DEBER:Nombre los tipos de fuerzas intermoleculares que existen
entre cada una de las molculas o unidades bsicas de las siguientes
especies:
a) LiF; b) CH4; c) SO2.
PUENTES DE HIDRGENO Los puentes de hidrgeno constituyen un caso
especial de interaccin dipolo-dipolo (Figura de la derecha). Se
producen cuando un tomo de hidrgeno est unido covalentemente a un
elemento que sea: Muy electronegativo y con dobletes electrnicos
sin compartir. De muy pequeo tamao y capaz, por tanto, de
aproximarse al ncleo del hidrgeno.
Dado que slo unos cuantos elementos pueden participar en la
formacin del enlace de hidrgeno, ste se trata como una categora
aparte. Estas condiciones se cumplen en el caso de los tomos de F,
O y N.
Figura 11.7 Puentes de hidrgeno en el agua, amoniaco y fluoruro
de hidrgeno. Las lneas slidas representan los enlaces covalentes,
las lneas punteadas representan los puentes de hidrgeno.
El enlace que forman con el hidrgeno es muy polar y el tomo de
hidrgeno es un centro de cargas positivas que ser atrado hacia los
pares de electrones sin compartir de los tomos electronegativos de
otras molculas. Se trata de un enlace dbil (entre 2 y 10 Kcal/mol).
Sin embargo, como son muy abundantes, su contribucin a la cohesin
entre biomolculas es grande.La distancia entre los tomos
electronegativos unidos mediante un puente de hidrgeno suele ser de
unos 3 . El hidrgeno se sita a 1 del tomo al que est covalentemente
unido y a 2 del que cede sus e- no apareados.Muchas de las
propiedades fsicas y qumicas del agua se deben a los puentes de
hidrgeno. Cada molcula de agua es capaz de formar 4 puentes de
hidrgeno, lo que explica su elevado punto de ebullicin, ya que es
necesario romper gran cantidad de puentes de hidrgeno para que una
molcula de agua pase al estado gaseoso.
Figura 11.6 Puntos de ebullicin de los compuestos con hidrgeno
de los elementos de los grupos 4A, 5A, 6A y 7A. A pesar de que
normalmente se espera que el punto de ebullicin se incremente a
medida que se desciende en un grupo, se puede observar que tres
compuestos (NH3, H2O y HF) se comportan de manera diferente. Esta
anomala se puede explicar en trminos del puente de hidrgeno
intermolecular
Este enlace es fundamental en bioqumica, ya que:Condiciona en
gran medida la estructura espacial de las protenas y de los cidos
nuclicos; yEst presente en gran parte de las interacciones que
tienen lugar entre distintos tipos de biomolculas en multitud de
procesos fundamentales para los seres vivos.El siguiente ejemplo
muestra el tipo de especies que pueden formar enlaces de hidrgeno
con el agua.EJEMPLO 11.2
Cul de los siguientes compuestos puede formar enlaces de
hidrgeno con el agua?
CH3OCH3 (ter metlico o metoximetano), CH4, F-, HCOOH (ac.
frmico), Na+.RESPUESTA:
No hay elementos electronegativos (F,O o N) en el CH4 ni en el
Na+. En consecuencia solo CH3OCH3, F- y HCOOH pueden formar enlaces
de hidrgeno con el agua.
EJEMPLO 11.12
Cul de las especies siguientes son capaces de unirse entre s por
medio de enlaces de hidrgeno?
a) C2H6, b) HI, c) KF, d) BeH2, e) CH3COOH.RESPUESTA: No hay
elementos electronegativos (F,O o N) en los literales a), b), c),
d), slo en e). En consecuencia solo el CH3COOH es capaz de unirse
por medio de enlaces de hidrgeno.
DEBER:Cules de las especies siguientes son capaces de formar
enlaces de hidrgeno entre si?
a) H2S, b) C6H6, c) CH3OH
1
