LAS FUERZAS INTERMOLECULARES INTERMOLECULARES INTRODUCCIÓN Aunque vivimos inmersos en la mezcla de gases que forman la atmósfera de la tierra, estamos más familiarizados con el comportamiento de los líquidos y sólidos, porque son más tangibles, llamados estados condensados de la materia, LA TEORIA CINÉTICA MOLECULAR DE LÍQUIDOS Y SÓLIDOS Los líquidos y los sólidos son otra historia. La diferencia principal entre los estados condensados y el estado gaseoso es la distancia entre las moléculas. n los líquidos las moléculas están tan !untas que hay muy poco espacio vacío" por ello son más difíciles de comprimir y, en condiciones normales, son mucho más densos que los gases. En un líquido, la !ol"#ula $ !an%i$n$n &un%a 'o( uno o !) %i'o d$ *u$(+a d$ a%(a##inEn un lido, la !ol"#ula $ !an%i$n$n $n 'oi#in (í.ida / '()#%i#a!$n%$ no %i$n$n li0$(%ad 'a(a !o1$($-
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3RO3IEDADES CARACTERÍSTICAS DE LAS TRES FASES DE LA MATERIA4 5ASES, LÍQUIDOS Y SÓLIDOS ESTADO #A$
6OLUMEN7
DENSIDAD
FORMA Adopta el %a!a
COM3RESI8ILIDAD &uy compresible
volumen y
MO6IMIENTO DE MOLÉCULAS &ovimiento muy libre
la forma del recipiente que L'()*+
lo
contiene. -iene un Alta
$ólo
volumen
compresible
sí libremente
contiene. -iene un Alta
/irtualmente
/ibraciones
volumen y
incompresible
alrededor
ligeramente $e deslizan entre
definido, pero adopta la forma del recipiente que $L*+
lo
forma
de
posiciones fi!as
definidos
FUERZAS INTERMOLECULARES Las fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas. $on importantes o e!ercen a0n más influencia en las fases condensadas de la materia, es decir, en los sólidos y en los líquidos y muy poco en los gases. A medida que ba!a la temperatura de un gas disminuye la energía cinética promedio de sus moléculas. Así, a una temperatura suficientemente ba!a, las moléculas ya no tienen la energía suficiente para liberarse de la atracción de las moléculas vecinas. n este momento, las moléculas se acercan entre sí y forman peque1as gotas de líquido. E%a %(ani#in d$ la *a$ .a$oa a la *a$ líquida $ #ono#$ #o!o #ond$na#inLa *u$(+a in%(a!ol$#ula($ mantienen !untos a los átomos de una molécula, participan en el enlace químico, estabilizan a las moléculas individuales.
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n general, las *u$(+a in%$(!ol$#ula($ son más débiles que las fuerzas intramoleculares, por ello, se necesita menos energía para evaporar un líquido que para romper los enlaces de sus moléculas. La *u$(+a in%$(!ol$#ula($ son las principales responsables de las propiedades macroscópicas de la materia como por e!emplo, el estado de agregación, la solubilidad, la tensión superficial, el 2. 3., 2. ., densidad, etc. 2ara comprender las propiedades de la materia condensada es necesario entender los diferentes tipos de fuerzas intermoleculares4
FUERZAS ION7ION $on las que se establecen $n%($ ion$ d$ i.ual o di%in%a #a(.a4 •
Los iones con cargas de signo opuesto se atraen
•
Los iones con cargas del mismo signo se repelen La magnitud de la fuerza electrostática viene definida por la l$/ d$ Coulo!0, la cual establece que la energía potencial 56 entre dos iones es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional a la distancia que las separa. Li3
7
L8 8 39
:
(Li8 : (39 ; < ====== r FUERZAS ION7DI3OLO $on las que se establecen $n%($ un ion / una !ol"#ula 'ola( . 2or e!emplo, el >a?l se disuelve en agua por la atracción que e:iste entre los >a 8 y ?l9 y los correspondientes polos con carga opuesta de la molécula de agua. sta ol1a%a#in de los iones es capaz de vencer las fuerzas que los mantienen !untos en el estado sólido. La capa de a.ua d$ ;id(a%a#in que se forma en torno a ciertas proteínas y que resulta tan importante para su función también se forma gracias a estas interacciones.
Fi.u(a 22-9 +os tipos de interacción ión9dipolo
FUERZAS ION7DI3OLO INDUCIDO -ienen lugar $n%($ un ion / una !ol"#ula a'ola( . La pro:imidad del ion provoca una distorsión en la nube electrónica de la molécula apolar que se convierte, transitoriamente, en una molécula polarizada. n este momento se produce una atracción entre el ion y la molécula polarizada. )n e!emplo es la interacción entre $l F$9< d$ la ;$!o.lo0ina / la !ol"#ula d$ O9, que es apolar. sta interacción es la que permite la unión reversible del
@
a la
hemoglobina y el transporte de @ desde los pulmones hacia los te!idos.
FUERZAS =IDROFÓ8ICAS n un medio acuoso, las moléculas hidrofóbicas tienden a asociarse por el simple hecho de que evitan interaccionar con el agua. Lo hacen por razones termodinámicas4
>
las moléculas hidrofóbicas se asocian para ini!i+a( $l n?!$(o d$ !ol"#ula d$ a.ua qu$ 'u$dan $%a( $n #on%a#%o #on la !ol"#ula ;id(o*0i#a. ste fenómeno se denomina $*$#%o ;id(o*0i#o y es el responsable de que determinados lípidos formen agregados supramoleculares. $on e!emplos de fuerzas hidrofóbicas4 •
Las que se establecen entre los fosfolípidos que forman las membranas celulares 5forman bicapas6.
•
Las que se establecen en el interior de una micela durante la digestión de los lípidos.
•
Las que hacen que los aminoácidos hidrofóbicos se api1en en el interior de las proteínas globulares.
FUERZAS DE 6AN DER @AALS stas fuerzas intermoleculares se denominan *u$(+a d$ 6an d$( @aal, en reconocimiento al físico holandés ohannes /an der Baals. l término C*u$(+a d$ 6an d$( @aalC engloba colectivamente a las *u$(+a d$ a%(a##in entre las moléculas. $on fuerzas de atracción débiles que se establecen entre moléculas eléctricamente neutras 5tanto polares como no polares6, pero son muy numerosas y desempe1an un papel fundamental en multitud de procesos biológicos. Las fuerzas de /an der Baals incluyen4 2-7 Fu$(+a di'olo7di'olo 5también llamadas fuerzas de Deesom6, entre las que se incluyen los 'u$n%$ d$ ;id(.$no9-7 Fu$(+a di'olo7di'olo indu#ido 5también llamadas fuerzas de +ebye6. :-7 Fu$(+a di'olo in%an%)n$o7di'olo indu#ido 5también llamadas fuerzas de dispersión o fuerzas de London6. FUERZAS DI3OLO7DI3OLO )na molécula es un di'olo cuando e:iste una di%(i0u#in ai!"%(i#a d$ lo $l$#%(on$ debido a que la molécula está formada por )%o!o d$ di%in%a $l$#%(on$.a%i1idad. ?omo consecuencia de ello, los electrones se encuentran
preferentemente en las pro:imidades del átomo más electronegativo. $e crean así dos regiones 5o polos6 en la molécula, una con carga parcial negativa y otra con carga parcial positiva.
Fi.u(a 22-2 Las moléculas que tienen un momento dipolo permanente tienden a alinear se con las polar idades opuestas en la fase sólida para logr ar la atracción má:ima.
?uando dos moléculas polares 5dipolos6 se apro:iman, se produce una atracción entre el polo positivo de una de ellas y el negativo de la otra. sta fuerza de atracción entre dos dipolos es tanto más intensa cuanto mayor es la polarización de dichas moléculas polares o, dicho de otra forma, cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los átomos enlazados. n el *luo(u(o d$ ;id(.$no, que es una molécula covalente con un enlace polar, por e!emplo, el 3 es más electronegativo que el E porque su n0cleo, atrae a los e 9 compartidos con el E con más fuerza que el n0cleo del E, con una sola carga positiva. 2or lo tanto, los e 9 compartidos por covalencia estarán más pró:imos al 3 que al E y la molécula forma un di'olo '$(!an$n%$. )n e!emplo particularmente interesante de las interacciones dipolo9dipolo son los 'u$n%$ d$ ;id(.$no. ?uando se encuentran a una distancia moderada, las moléculas se atraen entre sí pero, cuando sus nubes electrónicas empiezan a solaparse, las moléculas se repelen con fuerza.
B
FUERZAS DI3OLO7DI3OLO INDUCIDO -ienen lugar $n%($ una !ol"#ula 'ola( / una !ol"#ula a'ola( . n este caso, la carga de una molécula polar provoca una distorsión en la nube electrónica de la molécula apolar y la convierte, de modo transitorio, en un dipolo. n este momento se establece una fuerza de atracción entre las moléculas.
#racias a esta interacción, .a$ a'ola($ #o!o $l O9, $l N9 o $l CO9 $ 'u$d$n diol1$( $n a.ua. FUERZAS DI3OLO INSTANTNEO7DI3OLO INDUCIDO -ambién se llaman *u$(+a d$ di'$(in o *u$(+a d$ London. n muchos te:tos, se identifican con las fuerzas de /an der Baals, lo que puede generar cierta confusión. Las fuerzas de dispersión son *u$(+a a%(a#%i1a d"0il$ que se establecen fundamentalmente entre sustancias no polares, aunque también están presentes en las sustancias polares. $e deben a las irregularidades que se producen en la nube electrónica de los átomos de las moléculas por efecto de la pro:imidad mutua. La formación de un di'olo in%an%)n$o en una molécula origina la formación de un di'olo indu#ido en una molécula vecina de manera que se origina una débil fuerza de atracción entre las dos. stas fuerzas on !a/o($ al au!$n%a( $l %a!ao / la ai!$%(ía d$ la !ol"#ula. $on mínimas en los gases nobles 5Ee, >e6, algo mayores en los gases diatómicos 5E @, >@, @6 y mayores a0n en los gases poliatómicos 5 F, ?@6. Las fuerzas de dispersión aumentan con la masa molar. ?omo las moléculas con mayor masa molar tienden a tener más electrones, las fuerzas de dispersión aumentan con el n0mero de electrones. Además, una mayor masa molar a menudo indica un
átomo más grande cuya distribución electrónica se altera con más facilidad porque los electrones e:ternos están unidos con menos fuerza por el n0cleo.
Fi.u(a 22-> a6 +istr ibución esférica de la carga en un átomo de helio. b6 +istor sión ocasionada por el acer camiento de un catión. c6 +istorsión ocasionada por el acercamiento de un dipolo.
Fi.u(a 22- *nteracción entre dipolos inducidos. stos patrones e:isten tan sólo momentáneamente" al instante siguiente, se distribuyen d e otra for ma. ste tipo de interacción es responsable d e la condensación de los gases no polares.
l siguiente e!ercicio muestra que si se conocen los tipos de especies presentes, se pueden determinar con rapidez los tipos de fuerzas intermoleculares que e:isten entre ellas. &2L GG.G H(ué tipo de fuerzas intermoleculares e:isten entre los siguientes pares de compuestosI 9
a6 E%r y E@$" b6 ?l@ y ?%r J" c6 *@ y 5>F6 , d6 >EF y ?KEK. espuesta4
a6 -anto el E%r como el E @$ son moléculas polares, de modo que las fuerzas que e:isten entre ellas son dipolo9dipolo. -ambién hay fuerzas de dispersión. b6 l ?l@ y el ?%r J son moléculas no polares, por lo que sólo hay fuerzas de dispersión entre sus moléculas. 9
c6 el *@ es una molécula no polar, así que las fuerzas que e:isten con el 5> F6 son de tipo ion9dipolo inducido y fuerzas de dispersión. d6 l >EF es una molécula polar y el ? KEK es no polar, entonces las fuerzas entre estos compuestos son dipolo9dipolo inducido y fuerzas de dispersión. &2L GG.GM &encione los tipos de fuerzas intermoleculares que hay entre las moléculas o unidades básicas en cada una de las siguientes especies4 a6 ?KEK" b6 ?EF?l" c6 23F" d6 >a?l y e6 ?$@. espuesta4 a6 ?KEK,fuerzas de dispersión" b6 ?EF?l fuerzas de dispersión y fuerzas dipolo9dipolo" c6 23F fuerzas de dispersión y fuerzas dipolo9dipolo" d6 >a?l fuerzas de dispersión y fuerzas ion9ion" y e6 ?$@ fuerzas de dispersión. +%4 >ombre los tipos de fuerzas intermoleculares que e:isten entre cada una de las moléculas o unidades básicas de las siguientes especies4 a6 Li3" b6 ?EJ" c6 $@.
3UENTES DE =IDRÓ5ENO Los puentes de hidrógeno constituyen un caso especial de interacción dipolo9dipolo 53igura de la derecha6. $e producen #uando un )%o!o d$ ;id(.$no $%) unido #o1al$n%$!$n%$ a un $l$!$n%o que sea4 •
&uy electronegativo y con dobletes electrónicos sin compartir.
•
+e muy peque1o tama1o y capaz, por tanto, de apro:imarse al n0cleo del hidrógeno.
G
+ado que sólo unos cuantos elementos pueden participar en la formación del enlace de hidrógeno, éste se trata como una categoría aparte. stas condiciones se cumplen en el caso de los átomos de F, O / N.
Fi.u(a 22- 2uentes de hidrógeno en el agua, amoniaco y fluoruro de hidr ógeno. Las líneas sólidas r epr esentan los enlaces covalentes, las líneas punteadas representan los puentes de hidrógeno.
l enlace que forman con el hidrógeno es muy polar y el átomo de hidrógeno es un centro de cargas positivas que será atraído hacia los pares de electrones sin compartir de los átomos electronegativos de otras moléculas. $e trata de un $nla#$ d"0il 5entre @ y GM DcalNmol6. $in embargo, como son muy abundantes, su contribución a la cohesión entre biomoléculas es grande. La distancia entre los átomos electronegativos unidos mediante un puente de hidrógeno suele ser de unos F O. l hidrógeno se sit0a a GO del átomo al que está covalentemente unido y a @ O del que cede sus e9 no apareados.
2H
&uchas de las propiedades físicas y químicas del agua se deben a los puentes de hidrógeno. Cada !ol"#ula d$ a.ua $ #a'a+ d$ *o(!a( > 'u$n%$ d$ ;id(.$no, lo que e:plica su elevado punto de ebullición, ya que es necesario romper gran cantidad de puentes de hidrógeno para que una molécula de agua pase al estado gaseoso.
Fi.u(a 22-B 2untos de ebullición de los compuestos con hidrógeno de los elementos de los grupos JA, PA, KA y QA. A pesar de que normalmente se espera que el pun to de ebullición se incremente a medida que se desciende en un grupo, se puede observar que tres compuestos 5>EF, E@ y E36 se comportan de manera diferente. sta anomalía se puede e:plicar en términos del puente de hidrógeno intermolecular
ste enlace es fundamental en bioquímica, ya que4 ?ondiciona en gran medida la $%(u#%u(a $'a#ial d$ la '(o%$ína / d$ lo )#ido nu#l"i#o y stá presente en gran parte de las interacciones que tienen lugar entre distintos tipos de biomoléculas $n !ul%i%ud d$ '(o#$o fundamentales para los seres vivos. l siguiente e!emplo muestra el tipo de especies que pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua. &2L GG.@ H?uál de los siguientes compuestos puede formar enlaces de hidrógeno con el aguaI
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?EF?EF 5éter metílico o meto:imetano6, ?E J, 39, E?E 5ac. fórmico6, >a 8. $2)$-A4 >o hay elementos electronegativos 53, o >6 en el ?E J ni en el >a 8. n consecuencia solo ?EF?EF, 39 y E?E pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua. &2L GG.G@ H?uál de las especies siguientes son capaces de unirse entre sí por medio de enlaces de hidrógenoI a) ?@EK, b6 E*, c6 D3, d6 %eE @, e6 ?EF?E.
$2)$-A4 >o hay elementos electronegativos 53, o >6 en los literales a6, b6, c6, d6, sólo en e6. n consecuencia solo el ?E F?E es capaz de unirse por medio de enlaces de hidrógeno. +%4 H?uáles de las especies siguientes son capaces de formar enlaces de hidrógeno entre siI a6 E@$, b6 ?KEK, c6 ?EFE
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