INTERACCIÓN MOLECULAR Siendo las moléculas conjuntos de átomos, todas ellas contienen partículas dotadas de carga eléctrica. Una de las características sobresalientes de cualquier molécula es la existencia de una fuerza entre ella y sus vecinas. vecinas. ay ay,, naturalmente naturalmente una fuerza de atracción gravitatoria entre cada par de moléculas, pero resulta desp despre reci ciab able le comp compar arad adaa con con las las fuerzas eléctricas que que se pres presen enta tan, n, de atra atracc cci! i!nn y repu repuls lsi! i!nn simultáneament simultáneamente. e. "demás, "demás, puesto que en la molécula existen existen cargas en movimiento, movimiento, existe interacción magnética que influye en las resultantes de las fuerzas eléctricas. #n los s!lido s!lidoss las fuerzas fuerzas molecu moleculare laress se presen presentan tan como como fuerza fuerzass de elastic elasticida idadd durante durante las deformaciones, como fuerzas que condicionan la solidez del cuerpo, y su acci!n se ejerce solo a distancias muy peque$as. %or ejemplo, si apretamos los trozos de porcelana de una taza que se &a roto no se podrá establecer la taza original ya que la distancia intermolecular en la grieta de rotura es sumamente grande. %ero si tomamos un material grande y lo comprimimos, podemos acercar gran cantidad de moléculas a una distancia tal que las partes del cuerpo se ad&ieran tan fuertemente que sea difícil separarlas. 'a soldadura en frio se basa en esto, se ad&ieren vástagos de plomo apretando una a otra sus superficies bien esmeriladas.
F Atrac o Repul. r r o
•
*
A
B
Fig. I.1 'a representaci!n gráfica de la fuerza entre dos moléculas en funci!n de la distancia que las separa, tiene aproximadamente la forma de la (ig.)* en donde, se toman como positivas las fuerzas de repulsi!n y negativas las de atracci!n, r + indica la distancia a la cual las dos moléculas permanecen en equilibrio -(+/. 'a conclusi!n básica es que al acercar las moléculas predominan las fuerzas repulsivas y al alejarse las de atracci!n. Se llama radio de acción molecular , a la distancia entre moléculas para la cual las fuerzas de interacci!n entre ellas son tan débiles que pueden despreciarse. #s del orden de )+0. 'a energía total de un sistema de moléculas es la sumatoria de las energías de cada molécula más la energía potencial del sistema. Si no &ubiere energía cinética, un solo par de moléculas permanecería en equilibrio estable a la distancia r o, para la cual la energía que poseen es mínima (ig.1/. (ig.1/. %uesto que en realidad realidad las moléculas moléculas poseen siempre siempre energía energía cinética, cinética, las distancias distancias entre ellas varia constantemente constantemente pudiendo pudiendo ser o mayor o menor que r o. Si la la energía energía cinética cinética es menor que Umin la molécula molécula se mueve entre los límites del
pozo de potencial que se presenta* si es mayor que U min, la distancia entre las moléculas crece infinitamente. 2uando el movimiento molecular tiene lugar en un pozo de potencial, la distancia media entre las moléculas crece cuando aumenta la energía cinética de la molécula, es decir, cuanto más alta sea la temperatura del cuerpo. #ste &ec&o explica la dilataci!n de s!lidos y líquidos al calentarlos.
U Urep r o 0
r Umin Uatr * A
* B
Fig I.2 'a interacci!n molecular al ser de naturaleza eléctrica, se diferencia de la química en que se manifiesta a distancia muc&o más grandes y, carece del fen!meno de saturaci!n* se caracteriza por sus energías peque$as. %or ejemplo, el calor de condensaci!n de vapor a líquido caracterizado por la energía de interacci!n entre moléculas de vapor, es cerca de 3 4cal5mol para el 6, pero la energía de interacci!n química o de enlace 76 sobrepasa las 8+ 4cal5mol. 2uando las envolturas electr!nicas de las moléculas no se superponen por estar ubicadas a distancias suficientemente grandes, se manifiesta solamente el fen!meno de atracci!n. Si las moléculas son polares aquellas en las que existe un centro de carga positiva y uno de carga negativa /, se manifiesta una interacci!n electrostática mutua, #(#29: ;# :<6#=9"26>=, la cual crece si aumenta el momento dipolar ? de las moléculas, disminuyen con el aumento de la temperatura pues el movimiento térmico rompe la orientaci!n molecular. 'a atracci!n de moléculas polares decrece con las distancia r. 4
2 µ N o 3 RTr
6
'a energía para esta interacci!n está dada por@ UorientA Beesom, )C)1/ )/ ;onde =o, es el nDmero de "vogadro, < la constante de los gases, 9 la temperatura absoluta. 'a ecuaci!n )/ es lo suficientemente exacta cuando la distancia entre dipolos es muc&o mayor que la longitud del dipolo. #l efecto de orientaci!n desaparece en las moléculas no polares, pero en ellas aparece un momento dipolar inducido cuando ingresan al campo de sus partículas vecinas. #l efecto de inducci!n está en proporci!n directa con la deformaci!n de la molécula. 'as características de esta interacci!n se expresa en la relaci!n siguiente para la energía ;ebye, )C1+/@
2
2αµ 6
r
Uinducci!n A , 1/ ;onde E es la %:'"<6F"G6'6;"; ;# ;#(:=. :tro tipo de interacci!n molecular que se presenta especialmente en la licuefacci!n de los gases nobles, los mismos que carecen de las dos interacciones anteriores, es el llamado #(#29: ;6S%#
3hν oα 6
4r
Udisper A , I/ ;onde 4 es la constante de %lanc4, o frecuencia de oscilaciones para la energía nula #o, es decir a 9+* aproximadamente & o es la energía necesaria para ionizar el átomo de la sustancia, energía de ionizaci!n. Sumando )/,1/,I/, la energía de atracci!n intermolecular es @ n 6
r
4
2 µ N o 3 RT
+
2
2αµ
+
3α hν o 4
Uatracci!n A , donde n , J/ "sí pues, las fuerzas de atracci!n son inversamente proporcionales a la distancia intermolecular a la séptima potencia, la fuerza es la derivada de la energía U at./ #l efecto dispersante juega un papel principal en moléculas apolares y poco polares* para moléculas fuertemente polares el efecto de orientaci!n es grande, y, el efecto inductivo concientemente no es muy considerable. "l recubrirse las envolturas electr!nicas cuando las moléculas se &allan a peque$as distancias, surge la acci!n de las (U#= como resultado de la repulsi!n electrostática de los nDcleos y electrones. #sto se comprueba por ejemplo en la poca compresibilidad de líquidos y s!lidos. 'a energía de esta interacci!n en una primera aproximaci!n es@ m 12
r
Urepulsi!n ,mK+, 2onstante de repulsi!n. 'a energía total de interacci!n es@ U Uatr L Urep n 6
r
UA
m +
12
r
(:
#sta ecuaci!n corresponde a las curvas de la figura 6.1.