11.3: Fuerzas Intermoleculares

Los átomos y las moléculas interactúan a través de enlaces (o fuerzas): Intramoleculares e intermoleculares. Las fuerzas son electrostáticas a medida que surgen de interacciones (atractivas o repulsivas) entre especies cargadas (cargas permanentes, parciales o temporales) y existen con diversas fuerzas entre iones, moléculas polares, no polares y neutrales. Los diferentes tipos de fuerzas intermoleculares son iones–dipolo, dipolo–dipolo, puentes de hidrógeno y dispersión; entre estas, las fuerzas dipolo– dipolo, puentes de hidrógeno y fuerzas de dispersión existen entre átomos y moléculas neutras y se conocen colectivamente como fuerzas van der Waals.

Fuerzas dipolo–dipolo

Las moléculas polares tienen una carga positiva parcial en un extremo y una carga negativa parcial en el otro extremo de la molécula, una separación de carga llamada dipolo. En una molécula polar como el HCl, el átomo de Cl más electronegativo lleva la carga negativa parcial, mientras que el átomo de H menos electronegativo lleva la carga positiva parcial. Una fuerza de atracción entre las moléculas de HCl resulta de la atracción entre el extremo positivo de una molécula de HCl y el extremo negativo de otra. Esta fuerza de atracción se llama una atracción dipolo– dipolo: La fuerza electrostática entre el extremo parcialmente positivo de una molécula polar y el extremo parcialmente negativo de otra.

Fuerzas de dispersión

Una de las tres fuerzas van der Waals está presente en todas las fases condensadas, independientemente de la naturaleza de los átomos o moléculas que componen la sustancia. Esta fuerza de atracción se llama fuerza de dispersión de London en honor del físico estadounidense nacido en Alemania Fritz London, quien, en 1928, la explicó por primera vez. A esta fuerza se la conoce a menudo simplemente como fuerza de dispersión. Debido a que los electrones de un átomo o molécula están en movimiento constante (o, alternativamente, su ubicación está sujeta a la variabilidad mecánico cuántica), en cualquier momento, un átomo o molécula puede desarrollar un dipolo temporal e instantáneo si sus electrones se distribuyen asimétricamente. La presencia de este dipolo puede, a su vez, distorsionar los electrones de un átomo o molécula vecino, produciendo un dipolo inducido. Estos dos dipolos temporales que fluctúan rápidamente resultan así en una atracción electrostática relativamente débil entre la especie&8212;una así llamada fuerza de dispersión.

Las fuerzas de dispersión que se desarrollan entre átomos en diferentes moléculas pueden atraer las dos moléculas entre sí. Las fuerzas son relativamente débiles y, sin embargo, se vuelven significativas sólo cuando las moléculas están muy cerca. Los átomos y moléculas más grandes y pesados exhiben fuerzas de dispersión más fuertes que los átomos y moléculas más pequeños y ligeros. El F₂ y el Cl₂ son gases a temperatura ambiente (reflejando fuerzas de atracción más débiles); el Br₂ es un líquido y el I₂ es un sólido (reflejando fuerzas de atracción más fuertes).

Puentes de hidrógeno

El fluoruro de nitrosíl (ONF, masa molecular 49 uma) es un gas a temperatura ambiente, mientras que el agua (H₂O, masa molecular 18 uma) es un líquido, aunque tiene una masa molecular más baja. Ambas moléculas tienen aproximadamente la misma forma, y la ONF es la molécula más pesada y más grande. Por lo tanto, se espera que experimente fuerzas de dispersión más significativas. Además, esta diferencia en los puntos de ebullición no puede ser el resultado de diferencias en los momentos dipolo de las moléculas. Ambas moléculas son polares y presentan momentos dipolo comparables. La gran diferencia entre los puntos de ebullición se debe a una atracción dipolo–dipolo particularmente fuerte que puede ocurrir cuando una molécula contiene un átomo de hidrógeno unido a un átomo de flúor, oxígeno o nitrógeno (los tres elementos más electronegativos). La gran diferencia en la electronegatividad entre el átomo H (2,1) y el átomo al que está unido (4,0 para un átomo de F, 3,5 para un átomo de O, o 3,0 para un átomo de N), combinado con el tamaño muy pequeño de un átomo de H y los tamaños relativamente pequeños de los átomos de F, O o N, conduce a cargas parciales altamente concentradas con estos átomos. Las moléculas con F-H, O-H o N-H son muy atraídas a las mismas mitades en moléculas cercanas, un tipo particularmente fuerte de atracción dipolo–dipolo llamado puente de hidrógeno. Ejemplos de puentes de hidrógeno incluyen HF⋯HF, H₂O⋯HOH y H₃N⋯HNH₂, en los que los puentes de hidrógeno se denotan por puntos.

 Fuerzas ion–dipolo

Una fuerza ion–dipolo es la atracción electrostática entre un ión y un dipolo. Estas fuerzas son comunes en las soluciones y juegan un papel importante en la disolución de compuestos iónicos en el agua.

Cuando un compuesto iónico como el KCl es agregado a un solvente polar como el agua, los iones en el sólido se separan y dispersan uniformemente. Las fuerzas ion–dipolo atraen el extremo positivo (hidrógeno) de las moléculas de agua polar a los iones de cloruro negativos en la superficie del sólido, y atraen los extremos negativos (oxígeno) a los iones de potasio positivos. Las moléculas de agua rodean los iones individuales K⁺ y Cl⁻, reduciendo las fuertes fuerzas interiónicas que unen los iones (en un sólido) y permitiéndoles moverse en solución como iones solvatados. Superar la atracción electrostática permite el movimiento independiente de cada ión hidratado en una solución diluida a medida que los iones pasan de posiciones fijas en el compuesto no disuelto a iones ampliamente dispersados y solvatados en solución.

La fuerza de las interacciones ion–dipolo es directamente proporcional a i) la carga sobre el ion y ii) la magnitud del dipolo de las moléculas polares.

Este texto es adaptado deOpenstax, Química 2e, Capítulo 10: Líquidos y sólidos.

Las fuerzas intermoleculares, que existen entre las moléculas, se originan a partir de interacciones electrostáticas entre cargas, cargas parciales y cargas temporales. Todas las moléculas producen cargas temporales. Debido a la distribución variable de los electrones, una mayor densidad de electrones en una región de la nube de electrones da como resultado un dipolo instantáneo o un dipolo temporal.

Esto posteriormente induce otro dipolo instantáneo en la molécula vecina. El efecto dominó de los dipolos da lugar a fuerzas de atracción intermoleculares débiles llamadas fuerzas de dispersión, que existen entre todas las moléculas, sean polares o apolares. Algunos compuestos covalentes, como el agua, por ejemplo, exhiben regiones ricas y pobres en electrones causadas por las diferencias de electronegatividad de los átomos.

La distribución desigual de los electrones compartidos y la forma molecular del compuesto crean cargas parciales permanentes, lo que da como resultado un dipolo permanente en el compuesto que, de otro modo, sería neutral, lo que lo convierte en polar. Las moléculas con dipolos permanentes, también llamadas compuestos polares, se alinean a través de fuerzas dipolo-dipolo, donde el extremo positivo de una molécula interactúa electrostáticamente con el extremo negativo de la molécula vecina. Si un compuesto polar contiene un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo pequeño y altamente electronegativo como el flúor, el oxígeno o el nitrógeno, los átomos tienden a exhibir cargas parciales más grandes.

En consecuencia, el átomo de hidrógeno en los enlaces F-H, O-H o N-H interactúa fuertemente con el átomo electronegativo de su vecino a través de un tipo especial de fuerza dipolo-dipolo llamada enlace de hidrógeno. En particular, los enlaces de hidrógeno son más fuertes que las fuerzas dipolo-dipolo y los compuestos capaces de formar enlaces de hidrógeno exhiben puntos de fusión y ebullición más altos. Las tres fuerzas intermoleculares dispersión, dipolo-dipolo y enlaces de hidrógeno son, en comparación con las fuerzas intramoleculares, relativamente débiles, con fuerzas variables.

En conjunto, se clasifican como fuerzas de Van der Waals. Si bien las fuerzas de dispersión están presentes entre todas las moléculas, polares o no polares, las fuerzas dipolo-dipolo y los enlaces de hidrógeno existen solo alrededor de las moléculas polares. La fuerza ion-dipolo es exclusiva de las soluciones, que es la fuerza intermolecular más fuerte.

Cuando un compuesto iónico como el cloruro de sodio se disuelve en un solvente polar como el agua, los iones disociados interactúan con los dipolos del solvente a través de fuertes fuerzas ion-dipolo. Aquí, los cationes se asocian con los extremos negativos de las moléculas de agua, mientras que los aniones interactúan con los extremos positivos.