Fuerzas intermoleculares: definición, tipos y punto de ebullición

Fuerzas intermoleculares y punto de fusión

¿Qué son las fuerzas intermoleculares?

Los átomos, las moléculas y los compuestos se mantienen unidos por una combinación de fuerzas intramoleculares e intermoleculares. Las fuerzas intramoleculares se refieren a los enlaces que mantienen unidos a los átomos en una molécula, como el enlace covalente, iónico y metálico. Por el contrario, las fuerzas intermoleculares se refieren a la atracción que se produce entre las moléculas cuando están cerca unas de otras. Las fuerzas intermoleculares se pueden caracterizar como débiles o fuertes, dependiendo de cuánta atracción se produzca entre las moléculas. Las fuerzas intermoleculares débiles dan como resultado una mayor distancia entre dos o más moléculas. Especialmente cuando se comparan con las fuerzas intermoleculares fuertes, en las que las moléculas poseen una fuerte atracción entre sí.

Las fuerzas intermoleculares son especialmente importantes en muchas moléculas orgánicas, ya que contribuyen a la función, las características y las propiedades asociadas con diferentes sustancias. Si bien una sola fuerza intermolecular podría considerarse débil de forma aislada, la suma de estas fuerzas intermoleculares contribuye a la resistencia de la sustancia en su conjunto. Por ejemplo, las fuerzas intermoleculares contribuyen a la estructura de doble hélice del ADN (ácido desoxirribonucleico) al mantener unidos los pares de bases, formando un material genético. Las fuerzas intermoleculares proporcionan la estructura al ADN y, al mismo tiempo, son lo suficientemente débiles como para romperse cuando se produce la transcripción del ADN.

Tipos de fuerzas intermoleculares

Existen tres tipos principales de fuerzas intermoleculares: las fuerzas de dispersión de Van der Waals (generalmente denominadas fuerzas de dispersión de London), las interacciones dipolo-dipolo de Van der Waals (más comúnmente conocidas como interacciones dipolo-dipolo) y los enlaces de hidrógeno. Algunos libros de texto también identifican una cuarta fuerza intermolecular, generalmente denominada interacción ion-dipolo. Este tipo de interacción iónica se refiere a la atracción electrostática que se produce entre un ion y una molécula polar.

Cada tipo de fuerza intermolecular posee diferencias en la intensidad de estas fuerzas de atracción. La intensidad de las fuerzas intermoleculares se puede describir de la siguiente manera, de la más débil a la más fuerte: Fuerzas de dispersión de Van der Waals (fuerzas de London) < Interacciones dipolo-dipolo de Van der Waals < Enlace de hidrógeno < Interacciones iónicas (interacciones ion-dipolo). Por lo tanto, observar los tipos de fuerzas intermoleculares que se encuentran en un compuesto puede proporcionar información importante sobre varias propiedades de esa sustancia, como su punto de fusión y de ebullición.

La regla general es que el punto de fusión aumenta a medida que aumenta la fuerza intermolecular. Cuanto mayor sea la fuerza intermolecular, más energía se necesita para romper los enlaces que se encuentran en un compuesto. Como resultado, los compuestos con fuertes fuerzas intermoleculares requieren más energía para romper los enlaces, lo que se requiere para fundir una sustancia.

Por ejemplo, el etanol ({eq}CH_3CH_2OH {/eq}) tiene un punto de fusión de -114,1 °C (-173,5 °F), mientras que el etano ({eq}C_2H_6 {/eq}) tiene un punto de fusión de -182,8 °C (-297 °F). El etanol tiene un punto de fusión más alto debido a la presencia de un grupo hidroxilo ({eq}OH {/eq}), que produce una mayor unión de enlaces de hidrógeno dentro del etanol en comparación con el etano. Por lo tanto, la presencia de enlaces de hidrógeno en el etanol hace que tenga un punto de fusión más alto que el etano.

Determinación de fuerzas intermoleculares

La determinación de los tipos de fuerzas intermoleculares en los compuestos puede proporcionar a los estudiantes e investigadores información importante sobre las propiedades físicas de una sustancia. Las fuerzas intermoleculares están determinadas en parte por la forma en que se comparten los electrones dentro de los enlaces covalentes de diferentes moléculas. Cuando los electrones se comparten de manera equitativa dentro de un enlace covalente, se forma una molécula no polar. Por el contrario, cuando la distribución de electrones es desigual en una molécula, se forma una molécula polar.

Debido a que las fuerzas intermoleculares aumentan la fuerza de unión entre dos o más moléculas, pueden afectar los puntos de fusión y ebullición de los compuestos. En general, a medida que aumenta la fuerza de la fuerza intermolecular, también aumentan los puntos de fusión y ebullición de una sustancia.

Como se indicó anteriormente, hay cuatro tipos diferentes de fuerzas intermoleculares: fuerzas de dispersión de Van der Waals (fuerzas de London); interacciones dipolo-dipolo de Van der Waals; enlaces de hidrógeno; e interacciones iónicas (interacción ion-dipolo).

Fuerzas de dispersión de Van der Waals

Las fuerzas de dispersión de Van der Waals se conocen más comúnmente como fuerzas de dispersión de London. La fuerza de dispersión de London representa la más débil de las cuatro fuerzas intermoleculares. Las fuerzas de dispersión de London ocurren típicamente entre moléculas no polares cuando se forma un dipolo temporal debido a cambios en la distribución de electrones. Esto produce un dipolo temporal, o la presencia de una carga parcial positiva y parcial negativa, en una molécula. Por ejemplo, las fuerzas de dispersión de Van der Waals, o de London, representan el único tipo de fuerza intermolecular que se encuentra en la gasolina ({eq}C_8H_{18} {/eq}), ya que es una molécula completamente no polar.

Interacciones dipolo-dipolo de Van der Waals

Mientras que las fuerzas de dispersión de London sólo producen dipolos extremadamente breves en sustancias no polares, las interacciones dipolo-dipolo de Van der Waals se basan en la polaridad de una molécula. Cuando los electrones se comparten de forma desigual dentro de una molécula, se formará un dipolo más estable, en el que un compuesto posee regiones negativas y positivas diferenciadas. En las interacciones dipolo-dipolo, las moléculas se atraerán entre sí al poner la región positiva de una molécula adyacente a la región negativa de otra molécula. La atracción entre cargas dipolares opuestas crea un compuesto más estable que uno en el que se alinean cargas dipolares similares. Las interacciones dipolo-dipolo se consideran más fuertes que las fuerzas de dispersión de London.

El clorhidrato ({eq}HCl {/eq}), por ejemplo, representa una molécula polar con una carga positiva distinta ubicada en el extremo del hidrógeno y una carga negativa en el extremo del cloruro. Las interacciones dipolo-dipolo ocurren cuando la región negativa de una molécula de clorhidrato es atraída hacia la región positiva de una segunda molécula de clorhidrato.

Enlace de hidrógeno

El enlace de hidrógeno representa un tipo especial de interacción dipolo-dipolo en la que las moléculas con hidrógeno unido a oxígeno, flúor o nitrógeno producen un dipolo mucho más fuerte. Cuando el hidrógeno se une covalentemente a uno de estos tres átomos, la molécula resultante tendrá un par de electrones no enlazantes ubicados en el oxígeno, flúor o nitrógeno. En el enlace de hidrógeno, un átomo de hidrógeno parcialmente positivo es atraído por los pares de electrones no enlazantes en un átomo parcialmente negativo, como el oxígeno, el flúor o el nitrógeno, de otra molécula. El enlace de hidrógeno se considera una fuerza intermolecular más fuerte que las fuerzas dipolo-dipolo o de dispersión de London.

El agua ({eq}H_2O {/eq}), por ejemplo, representa una molécula con un fuerte dipolo creado por la distribución desigual de electrones entre el oxígeno y el hidrógeno. Debido a que el oxígeno atrae con más fuerza hacia sí los pares de electrones compartidos de los dos átomos de hidrógeno, se forma un dipolo en el que hay una fuerte carga negativa en el oxígeno. Cuando varias moléculas de agua están adyacentes entre sí, la carga positiva parcial del hidrógeno es atraída por la carga negativa parcial del oxígeno.

Enlaces iónicos

Las interacciones iónicas representan el tipo más fuerte de fuerza intermolecular. Esto suele ser el resultado de la atracción entre una molécula polar y un ion o una molécula que tiene una carga eléctrica neta. El resultado a veces se denomina interacción ion-dipolo. Por ejemplo, cuando un ion calcio ({eq}Ca^{2+} {/eq}) se mezcla con agua, la fuerte atracción entre el ion calcio y las moléculas de agua producirá un burbujeo vigoroso en el que se forma gas hidrógeno y un precipitado de hidróxido de calcio. Esta reacción se produce por las interacciones iónicas entre el calcio y el agua.

Resumen de la lección

Las fuerzas intermoleculares se refieren a los tipos de interacciones que ocurren entre moléculas. Las fuerzas intermoleculares suelen estar determinadas por la forma en que se comparten los electrones dentro de los enlaces covalentes de las moléculas. Si bien la distribución desigual de electrones en un enlace covalente produce una molécula polar, se forman moléculas no polares cuando los electrones se comparten de manera igualitaria en un enlace covalente. Existen tres fuerzas intermoleculares principales, así como un cuarto tipo que a veces identifican los investigadores:

• Fuerzas de dispersión de Van der Waals: atracción que se produce entre moléculas no polares con un dipolo temporal, o la presencia de una carga parcial positiva y parcial negativa en una molécula.
• Interacciones dipolo-dipolo de Van der Waals: la atracción entre las cargas parcialmente negativas y parcialmente positivas de dos moléculas dipolares
• Enlace de hidrógeno: un tipo especial de interacción dipolo-dipolo que ocurre cuando el hidrógeno está unido al oxígeno, flúor o nitrógeno.
• Interacciones iónicas, o interacciones ion-dipolo: la interacción entre un ion y una molécula polar.

Las fuerzas intermoleculares se pueden clasificar de más débiles a más fuertes de la siguiente manera: fuerzas de dispersión de Van der Waals (fuerzas de London); interacciones dipolo-dipolo de Van der Waals; enlaces de hidrógeno; e interacciones iónicas (interacción ion-dipolo). Las fuerzas intermoleculares son importantes para determinar las propiedades físicas de un compuesto. En general, a medida que aumenta la fuerza intermolecular, también aumentan los puntos de fusión y ebullición de un compuesto.