Las fuerzas intermoleculares son mejor conocidas como las fuerzas de atracción entre moléculas, responsables estas del comportamiento no ideal de los gases. Las mismas cumplen un importante papel en los diferentes estados de agregación de la materia, conocidas como líquido, sólido y gaseoso.
Son estas fuerzas intermoleculares mucho más débiles que las intramoleculares. Para ejemplificarlo, sépase que es requerida mucha menos energía para la evaporación de un líquido que para poder romper los enlaces de las moléculas de ese mismo líquido.
Para poder comprender las propiedades de los distintos estados de la materia, se han de conocer y comprender los diferentes tipos de fuerzas intermoleculares.
Ejemplo situacional sobre las fuerzas intermoleculares
Los átomos de una molécula se mantienen unidos gracias a enlaces químicos cuya fuerza va de 150 a 1000 kJ/mol. Las fuerzas de atracción más débiles (fuerzas o atracciones intermoleculares) logran atraer una molécula a otra.
Son requeridos 1652 kJ para romper 4 moles de enlaces covalentes C¾H y separar el átomo de C y los 4 átomos de H de todas las moléculas de 1 mol de metano.
Más sólo son requeridos 8.9 kJ para separar unas de otras, 1 mol de moléculas de metano que están muy unidas en el metano líquido a fin de evaporar al líquido y convertirle en gaseoso.
Las atracciones moleculares son más débiles que los enlaces covalentes porque no son el resultado de compartir pares de electrones entre átomos, sino que son interacciones no covalentes, las cuales se muestra como fuerzas de atracción que no son enlaces iónicos y sí son diferentes de los enlaces covalentes.
Todas las interacciones no covalentes entre fuerzas intermoleculares explican el punto de fusión, de ebullición y algunas otras propiedades de las sustancias que no son iónicas.
En contraste pero como hecho de acción y reacción necesarios, las interacciones no covalentes entre distintas partes de una molécula grande, llamadas fuerzas o enlaces intramoleculares, mantienen a las moléculas de importancia biológica con la forma exacta que las mismas requieren para desempeñar todas sus funciones.
Para ejemplificar: Un gran número de interacciones no covalentes entre las cadenas de ADN son las que establecen la estructura de doble hélice de esta molécula de gran tamaño.
Más, las interacciones no covalentes individuales dentro del mismo ADN son bastante débiles, logrando que sean vencidas en condiciones fisiológicas, haciendo posible la separación de las dos cadenas del ADN para copiarlas.
Análisis a las fuerzas intermoleculares
Demos análisis a las fuerzas de cohesión que mantienen juntas a las moléculas en su estado líquido, donde existen cuatro fuerzas intermoleculares básicas o primarias, en las que cada una es proveniente de una atracción electrostática de partículas con cargas opuestas (negativas – positivas).
Interacciones Dipolo-Dipolo
En cualquier enlace covalente entre 2 átomos idénticos, los electrones que fungen como enlace se encuentran simétricamente distribuidos alrededor de ambos núcleos; pero cuando los átomos son diferentes, los electrones de valencia no se encontrarán igualmente compartidos por los 2 núcleos y la distribución de carga no será homogénea.
En consecuencia, de seguro aparecerán en la molécula varias regiones con diferente densidad de carga o dipolos eléctricos.
Estos existen entre las moléculas polares neutras. Las mismas se atraen unas a otras cuando el extremo negativo de una molécula se encuentra cercano al extremo negativo de otra.
Lo vamos a mostrar con uno de los casos más citados en química orgánica: En el Cl-Cl (molécula de coloro) existe una distribución simétrica de los electrones entre los 2 átomos de cloro y se puede especular que no posee carga. Pero en la molécula de hidrogeno de cloro (HCl) no existe distribución uniforme de la carga porque los electrones de enlace –motivado a la diferencia de las electronegatividades entre los átomos- se encuentran desigualmente repartidos.
Por ende a la molécula de HCl se le determina eléctricamente asimétrica o polar. De igual manera, en la molécula de agua (H-O-H, sintetizada H2O), tampoco existe una distribución uniforme de la nube de carga, ya que los electrones se encuentran fuertemente atraídos por el átomo de oxígeno que adquiere carga negativa, mientras que los 2 átomos de hidrogeno adquieren carga positiva similar.
De ello derivará, dada la disposición de los átomos en la molécula de agua, que el centro de las cargas negativas se encuentra en un extremo de la molécula y el centro de las cargas positivas hará lo mismo en el otro, constituyendo a las fuerzas intermoleculares denominadas dipolo.
Fuerzas intermoleculares de London o fuerzas de London
Las fuerzas de London son también conocidas como Fuerzas de Van Der Waal o Fuerzas de Dispersión, en homenaje a Fritz London y Johannes Van Der Waal quienes realizaron las primeras investigaciones de las interacciones no polares; para universalizarlas más, se utiliza el término de dispersión porque en esencia eso es lo que hacen dichas interacciones.
Las mismas se encargan de mantener a las moléculas que sean suficientemente grandes en estado sólido, esto a pesar de ser una de las fuerzas intermoleculares más débiles aunque existan en todas las moléculas.
Lo que sucede es que en las moleculares polares pequeñas existe tanta debilidad que llegan a estar por completo opacadas por los enlaces de hidrogeno y las fuerzas dipolares.
Las fuerzas de London son las que principalmente atraen a las moléculas no polares entre sí, ya que dichas moléculas no polares no poseen separación de carga dentro de las moléculas. Estas fuerzas de Van Der Waal existen por igual en aquellos gases nobles que se pueden licuar.
Ion – Dipolo
Este se produce entre una carga parcial y un ion en el extremo de una molécula polar. Todas las moléculas polares son dipolos y poseen un extremo positivo y otro negativo, como el de la molécula del hidrogeno de cloro HCl.
Esta fuerza es dependiente de la carga y tamaño del ion y la magnitud del dipolo. Las cargas en los cationes son mucho más concentradas porque éstos suelen ser menores que los aniones. Cuando las cargas iguales se suceden, un catión interactúa con más fuerza con los dipolos que lo que hace un anión.
Enlace de hidrogeno
Este es un tipo especial de interacción dipolo – dipolo entre el átomo de hidrogeno de un enlace polar como N-H u O-H y un tomo electronegativo como F, N u O.
El estudio de las fuerzas intermoleculares del enlace de hidrogeno partió de los puntos de ebullición de los compuestos, donde normalmente entre una serie de compuestos similares formados por elementos del mismo grupo, aumentan al incrementar la masa molar. Más se han documentado algunas excepciones en los compuestos de hidrógeno de los elementos de los grupos VA, VIA y VIIA.
En cada una de estas series, el compuesto más ligero (H2O, HF, NH3) tiene el punto de ebullición más alto, contrariamente a lo estimado en función de las masas molares. Una serie de investigaciones y observaciones relacionadas condujeron a los investigadores químicos y academias de química a postular la existencia del enlace de hidrógeno.