Concepto de Interacciones Intermoleculares
Por combinación de átomos se da la formación de moléculas. Muchas sustancias moleculares son líquidas o sólidas a 25ºC y a la presión de 1 atm. Por ejemplo, las moléculas de agua son formadas por tres átomos, siendo uno de oxígeno que se une a dos átomos de hidrógeno.
Aunque sean moléculas pequeñas, las fuerzas de interacción que las unen son fuertes lo suficiente para que permanezcan en el estado líquido a la temperatura de 25ºC y a la presión de 1 atm.
Estas fuerzas que unen las moléculas son denominadas fuerzas intermoleculares. Estas fuerzas están directamente relacionadas con las propiedades macroscópicas de las sustancias, tales como el punto de fusión, el punto de ebullición, tensión superficial, viscosidad, entre otras.
Estas fuerzas se manifiestan más significativamente cuando las moléculas están agregadas, formando líquidos o sólidos y disminuyen rápidamente a medida que las distancias intermoleculares aumentan.
Interacciones entre moléculas polares: Interacciones dipolo-dipolo o fuerzas de van der Waals
Cuando una sustancia es constituida por moléculas que posean dipolo permanente, es decir, moléculas polares, y estas estén separadas por pequeñas distancias, ocurren interacciones de naturaleza electroestática entre los dipolos positivo y negativo de las moléculas adyacentes. Estas interacciones toman el nombre de interacción dipolo-dipolo o fuerzas de van der Waals.
Por ejemplo, la molécula de ácido clorhídrico (HCl) es una molécula polar. En esta molécula, la región con mayor densidad de carga negativa (-δ) está localizada en el Cl, que es atraído por la región con mayor densidad de carga positiva (+δ) de otra molécula de HCl localizada en el hidrógeno.
Esta atracción es denominada interacción dipolo-dipolo y es más elevada cuanto mayor sea la polaridad de la molécula.
Las intensidades de las interacciones dipolo-dipolo pueden ser analizadas comparándose el punto de fusión o el punto de ebullición de las sustancias.
En los líquidos formados por moléculas polares de masa y tamaño semejantes, la fuerza de las interacciones y el punto de fusión aumentan con el aumento del momento de dipolo de las moléculas.
Para moléculas con diferentes masas molares, los puntos de fusión y de ebullición disminuyen con el aumento de la masa molar.
Como curiosidad, Johannes Diederik van der Waals, físico alemán, verificó que la ecuación de los gases ideales no correspondían al comportamiento de los gases reales.
El error era atribuido a la teoría cinética de los gases ideales que no consideraba la existencia de fuerzas atractivas y/o repulsivas entre las partículas del gas y consideraba que el volumen de cada partícula era cero.
Waals tomó esos errores en consideración e introdujo, en 1881, la ecuación PV=nRT más dos parámetros relacionados con el tamaño y con las fuerzas intermoleculares.
Este físico reescribió una nueva ecuación conocida como ecuación de van der Waals para gases reales.
Por este gran logro, en 1910 recibió el premio Nobel de Física.
Interacciones entre moléculas apolares: interacciones dipolo inducido-dipolo inducido
En las moléculas apolares, como los hidrocarburos, las fuerzas de interacción intermoleculares actúan y son capaces de licuar estas sustancias químicas.
La existencia de estas fuerzas fue percibida inicialmente por el físico polaco Fritz London, que las relacionó con el movimiento electrónico en los átomos y en las moléculas.
Este físico sugirió que, en un determinado instante, el centro de carga negativa de los electrones y de carga positiva del núcleo atómico podría no coincidir.
Esto podría generar dipolos instantáneos en átomos y moléculas apolares, e induciría polarización en moléculas o átomos adyacentes, resultando en fuerzas atractivas conocidas como fuerzas de dispersión o fuerzas de London, presentes en todas las moléculas apolares.
La facilidad de distorsión de la distribución de carga de una especie química por la acción de un campo eléctrico externo es la polarizabilidad.
En general, las moléculas y átomos voluminosos son más fáciles de distorsionarse, puesto que presentan un gran número de electrones, muchos de los cuales están distantes de los núcleos, lo que favorece el movimiento electrónico que origina los dipolos instantáneos.
De esta forma, las moléculas son más polarizables, es decir, tienen más facilidad en distorsionarse y las interacciones dipolo inducido-dipolo inducido que existen entre ellas son más fuertes.
El tamaño de las moléculas está directamente relacionado con la masa molar y las fuerzas de London tienden a aumentar con el aumento de esa masa.
Por ejemplo, las moléculas de hidrocarburos, que en condiciones estándar pueden estar en el estado gaseoso, líquido o sólido, dependiendo del número de átomos de carbono presentes en la cadena. El metano (CH4) es gaseoso, el octano (C8H18) que es el principal componente de la gasolina es líquido y el octadecano (C18H38) es sólido.
Como las fuerzas de dispersión provienen del movimiento electrónico, éstas actúan entre todas las moléculas, polares y apolares.
En general, estas fuerzas contribuyen más efectivamente para la atracción intermolecular que las interacciones dipolo-dipolo.
Interacción entre moléculas polares y apolares: dipolo-dipolo inducido
Las moléculas polares también reaccionan con moléculas apolares.
A estas interacciones se les da el nombre de dipolo-dipolo inducido.
Considerando un ejemplo tenemos las moléculas de oxígeno (O2) que son apolares. Sin embargo, estas moléculas en la presencia de agua, que es polar, son polarizadas por la acción de los dipolos permanentes del agua, generando así dipolos instantáneos en las moléculas de oxígeno. Esta molécula polarizada interactúa con el dipolo de agua, permitiendo así que las moléculas de oxígeno se disuelvan en el agua.
Enlace de Hidrógeno
Existen moléculas que poseen interacciones dipolo-dipolo muy intensas, capaces de alterar las propiedades físicas de las mismas. Como ejemplo práctico tenemos el caso del agua. En la molécula de agua, las interacciones intermoleculares son fuertes lo suficiente para elevar el punto de ebullición para 100ºC.
Estas interacciones son consideradas un caso particular de las atracciones dipolo-dipolo.
Los enlaces de hidrógeno no ocurren apenas en el agua, sino también entre moléculas polares que posean átomos de hidrógeno enlazados a átomos de elevada electronegatividad como el oxígeno (O), el flúor (F) y el nitrógeno (N).
