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FUERZAS INTERMOLECULARES ▲Contenido Fuerzas Intramoleculares Fuerzas intermoleculares ▼ Fuerzas Intramoleculares Para comenzar debemos conocer los tipos de fuerzas que interactúan en las moléculas. Primero están las fuerzas que forman a las mismas moléculas, aquellas que unen a los átomos para poder formarlas. Estas fuerzas más conocidas como enlaces químicos son también fuerzas intramoleculares. Las fuerzas intramoleculares mantienen unidos a los átomos dentro de una molécula, y son el origen de los enlaces metálicos, iónicos y covalentes; de los enlaces químicos y por consiguiente determinan las propiedades químicas de los compuestos. En este caso, y como este tema se ha estudiado con anterioridad a profundidad, nos enfocaremos en las fuerzas complementarias de las moléculas. Estas fuerzas estabilizan a las moléculas individuales y es necesario vencerlas sí es que se desea un cambio en la composición de la materia, o sea, un cambio químico. ▼ Fuerzas intermoleculares Este tipo de fuerzas se presentan entre las moléculas y no involucra la formación de enlaces químicos. También se pueden llamar fuerzas atractivas (de naturaleza electrostática) y por lo tanto determinan las propiedades físicas de los compuestos. Es importante considerar que las fuerza intermoleculares presentes en las moléculas son de menor intensidad que las intramoleculares. Estas fuerzas son las responsables del comportamiento no ideal de los gases y ejercen aún más influencia en los estados condensados de la materia, es decir, en los sólidos y en los líquidos. A medida que baja la temperatura de un gas, disminuye la energía cinética promedio de sus partículas, y de esta manera cuando se llega a temperaturas suficientemente bajas, las moléculas ya no tienen la energía necesaria para liberarse de la atracción de las moléculas vecinas. Es en este momento en el cual las moléculas se agregan formando pequeñas gotas de líquido. El estado de agregación de una sustancia depende del balance entre la Energía Cinética (EC) y la Energía Potencial de Interacción entre Moléculas (EP) (relacionada con las fuerzas intermoleculares) GAS: EC >> EP intermolecular LÍQUIDO: EC ≈ EP intermolecular SÓLIDO: EC << EP intermolecular Algunas de las propiedades en las que intervienen las fuerzas intermoleculares son las siguientes: Punto de Fusión ∆H_fusión Punto de Ebullición ∆H_vapor Presión de Vapor Densidad ( ρ ) Viscosidad ( μ ) He también a continuación algunos de los factores más comunes que influyen en las fuerzas intermoleculares: Distribución de densidades electrónicas Electronegatividad de los elementos cuyos átomos forman las moléculas Momento dipolar Forma de la molécula Tamaño de la molécula Aunque es pertinente tomar en cuenta que las moléculas interactúan entre sí a través de fuerzas de origen electrostático y mecanocuántico; y que entre mayores y más intensas sean las fuerzas intermoleculares, mayo será la cantidad de energía necesaria para vencerlas, es por ello que el punto de fusión y el de ebullición del compuesto sea mayor. Se sabe que existen tres tipos de fuerzas de atracción entre moléculas neutras: fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de London y fuerzas de puente de hidrógeno. Estas fuerzas también se denominan fuerzas de van der Waals, por Johannes van der Waals, quien dedujo la ecuación para predecir la desviación de los gases respecto al comportamiento ideal. Otro tipo de fuerza de atracción, la fuerza ión-dipolo, es importante en las disoluciones. Los cuatro tipos de fuerzas son de naturaleza electrostática, es decir, implican atracciones entre especies positivas y negativas. Todas suelen tener una intensidad de menos del 15% de la de los enlaces covalentes o iónicos. Para poder efectuar un cambio en el estado de agregación de estas sustancias es necesario vencer las fuerzas intermoleculares que posean. Sí se desea clasificar estas fuerzas es necesario determinar las cargas de las mismas, y sí es que no las tienen, así como también el tipo de fuerzas intramoleculares que actúan en sus átomos. A continuación presento un diagrama en el cual es posible reconocer los tipos de fuerzas intermoleculares, tomando en cuenta que en todos los casos están presentes las fuerzas de dispersión London, la intensidad de las demás fuerzas aumenta generalmente de izquierda a derecha. Moléculas o Iónes Interactuantes ¿Participan Iónes? SI / NO Fuerzas de van der Waals ¿Participan Moléculas Polares? SI / NO Sólo Fuerzas de Dispersión de London (Dipolos Inducidos) Ar(l) I2(s) ¿Hay átomos de H unidos a átomos de N, O, F? SI / NO Fuerzas Dipolo- Dipolo H2S Puentes de H H2O NH3 HF ¿Están presentes moléculas polares Y también Iónes? SI / NO Fuerzas Ión- Dipolo KBr en H2O Enlaces Iónicos NaCl NH4NO3 ► Interacciones de dispersión (London) Se dan entre moléculas no polares. En las moléculas no polares en promedio la distribución de la nube electrónica es homogénea, pero debido a que los electrones están en continuo movimiento en un momento se produce una distribución asimétrica de cargas y se produce un dipolo instantáneo. Los dipolos instantáneos inducen dipolos en moléculas vecinas (llamados dipolos inducidos). Esto da lugar a las fuerzas de dispersión, también llamadas fuerzas de London. Estas interacciones están presentes en todas las sustancias, pero en general son predominantes en los casos en que μ = 0. La existencia de estas interacciones explica por qué los gases nobles pueden existir en estado líquido, o por qué es posible licuar al N2 y el O2. Fuerzas entre moléculas no polares, por momentos bipolares al moverse sus electrones en la molécula generando cargas electrónicas asimétricas, lo cual da como resultado un momento dipolar temporal que se llaman dipolos inducidos. ► Interacciones Ión-Dipolo Inducido Se dan entre cationes o aniones y moléculas no polares (μ = 0). En general son más débiles que las fuerzas ión-dipolo permanente. Por eso los iónes son muy solubles en solventes polares y poco solubles en solventes no polares. ► Interacciones Ión-Dipolo Existe una fuerza ion-dipolo entre un ion y la carga parcial de un extremo de una molécula polar. Se dan entre cationes o aniones y moléculas polares (dipolos μ ≠ 0). No ocurren en sustancias puras, sino que son adecuadas para explicar procesos como la solubilidad de sólidos iónicos en solventes polares. La magnitud de la atracción aumenta al incrementarse la carga del ion o la magnitud del momento dipolar. ► Interacciones Dipolo-Dipolo Se da entre moléculas polares y depende considerablemente de la orientación relativa de las moléculas. Las moléculas polares neutras se atraen cuando el extremo positivo de una de ellas está cerca del extremo negativo de otra. Estas fuerzas dipolo-dipolo sólo son eficaces cuando las moléculas polares están muy juntas, y generalmente son más débiles que las fuerzas ion-dipolo. Dos moléculas que se atraen pasan más tiempo cerca una de otra que dos que se repelen, por lo que el efecto global es una atracción neta. ► Puente de Hidrógeno Se forman entre un átomo de H que forma un enlace covalente polar con un átomo muy electronegativo (F, O, N) y un par de electrones libres de un átomo muy electronegativo cercano (F, O, N) Son más débiles que un enlace químico, más fuertes que las interacciones dipolo- dipolo y de dispersión. Tienen una dependencia complicada con la distancia (la distancia de los puentes de H es de aproximadamente 200 pm). Y es común que a veces se incluyen con las fuerzas de van der Waals. ► Fuerzas de Van der Waals y Radio de Van der Waals La fuerza dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido y de London se conocen como lasfue de Van der Waals, que son fuerzas de atracción y juegan un papel importante en las propiedades físicas de las sustancias y la distancia entre las moléculas está determinada por una balance de cargas de atracción y de repulsión entre los electrones y los núcleos. El radio de van der Waals es la mitad de la distancia entre dos átomos no enlazados equivalente en su distribución más estable. La diferencia entre radio atómico y radio iónico y el radio de van der Waals es que esta último se aplica a átomos no enlazados. ▼ Interacciones intermoleculares No son excluyentes entre sí. Si una sustancia presenta interacciones de tipo de puente de hidrógeno, también puede presentar interacciones de tipo dipolo- dipolo (si es polar) y presentará interacciones de dispersión (London) Si tiene interacciones tipo dipolo- dipolo, presentará también interacciones de dispersión (London) Las fuerzas de dispersión (o de London) están actuando siempre entre las moléculas. En moléculas con μ ≠ 0, pueden ser más intensas que las dipolo- dipolo si el PM es medio o alto, o si la forma de las moléculas favorece la interacción. ▲Conclusión Con esta investigación es posible resolver dudas con respecto a mecanismo de reacción de muchos procesos químicos, y porque en algunos casos favorece algunos más que a otros, así como también procesos mecánicos y fenómenos físicos presentes en la materia a analizar. Aprendí al mismo tiempo a identificar cuando son fuerzas intermoleculares y cuando intramoleculares, y como estas afectan e influyen en cada aspecto de las sustancias y de la vida. Para finalizar, puedo rescatar un par de detalles. Primero que nosotros al estudiar las propiedades físicas de la materia (influidas en gran parte por fuerzas intermoleculares) y las químicas (fuerzas intramoleculares), podemos determinar cambios y poder analizarlos, para posteriormente utilizar esta información en la toma de decisiones y optimizaciones en cuanto al contexto industrial en el que nos desarrollemos (que es parte principal de nuestra carrera). Y después me agrada como se relacionan estos datos de fuerzas intermoleculares con hechos cotidianos y sencillos que todas las personas puedes apreciar y entender del mismo modo en el que lo hago yo, ya que de esta manera se incluye a toda la población a apoyar la investigación, pues les parece interesante. Como conclusión me permito decir, que es uno de los temas más digeribles de esta unidad debido a la facilidad de hallar ejemplos sencillos y que estén a nuestro alrededor en la vida diaria, y es por ello que considero sencillo poder identificar y determinar de manera adecuada el tipo de fuerza que intervenga, aunque por supuesto con un poco de investigación previa y conocimiento suficiente de los temas.