A las fuerzas de Van der Waals se les conoce también como fuerzas de London o Fuerzas de Dispersión; todo esto en honor a Johannes Van Der Waal y Fritz London, quienes realizaron las primeras investigaciones de las interacciones no polares; para universalizarlas, se utiliza el término de fuerzas de dispersión porque en esencia eso es lo que hacen dichas interacciones.
La electronegatividad
Para adentrarse al estudio y comprensión de las fuerzas de Van der Waals, se debe estudiar a la electronegatividad y los elementos ligados a esta.
La misma es una magnitud empírica que se traduce como la tendencia relativa de cualquier elemento para atraer hacia el mismo los 2 electrones de un enlace covalente en el que es copartícipe.
Se relaciona en directo con la energía de ionización del elemento, mismo que depende verticalmente de la carga del núcleo e inversamente de la distancia del electrón al núcleo y de la apariencia o apantallar que producen los demás electrones.
Existe una escala llamada de Pauling en la que se analizan a las electronegatividades arbitrarias aplicables a las fuerzas de Van der Waals, destacando la del Flúor por ser el elemento con la mayor energía de ionización luego de los gases nobles y por lo tanto de mayor electronegatividad, lo que hace que dicho elemento reciba un valor de 4.0.
Como ejemplo contrario, el Cesio es el elemento de menor electronegatividad, recibiendo por ello un valor de 0,7.
Una definición más sucinta fue aplicada por el investigador químico Mulliken, quien etiquetó a la electronegatividad de un elemento como la media entre su energía de ionización y su afinidad electrónica.
Energía de ionización
Es la energía que se requiere para que sea eliminado un electrón del átomo neutro, produciendo el ion +1.
Afinidad electrónica
Es lo contrario al anterior, al ser la energía necesaria para eliminar un electrón del ion -1 del átomo neutro.
Aunque las de Mulliken sean definiciones bastante más claras, no son del todo prácticas, por lo cual se siguen llevando al plano físico y de análisis las derivadas de la escala de Pauling.
Lo que sí está claro entre ambas es que mientras mayor sea la diferencia de electronegatividades entre los 2 átomos enlazados, mayor será el carácter iónico del enlace en cuestión.
Fuerzas de Van der Waals
Esta se ha definido como una fuerza intermolecular con gran atracción, aunque muy poco intensa y que es ejercida a distancia entre las moléculas. Las mismas poseen origen eléctrico y pueden tener lugar entre dipolos momentáneos o instantáneos (también llamados inducidos) y entre los dipolos permanentes.
Las sustancias moleculares se encuentran formadas por moléculas individuales entre las que existen interacciones de tipo residual únicamente, haciéndose responsables de los enlaces conocidos como fuerzas de Van der Waals, la cual además de estar presente en los sólidos moleculares por igual aparece entre los átomos o iones sometidos a cualesquiera clase de enlace (covalente, iónico o metálico). Es por lo cual se les considera como una interacción meramente residual.
Esta energía se muestra como mucho menor que la de otros tipos de enlace y de común aparece enmascarada. Las fuerzas de Van der Waals carecen de un carácter dirigido y puede operar a distancias mayores a otras fuerzas ya documentadas.
Por igual pueden llegar a mantener ordenaciones cristalinas aunque los puntos de fusión de las sustancias covalentes son de usual bajos, porque la agitación térmica, domina. Estas fuerzas se mantienen como las únicas responsables de la estabilidad de los gases nobles cuando éstos se encuentran en estado sólido.
Las sustancias covalentes son en su mayoría –estando a temperatura ambiente- los líquidos o gases de punto de ebullición bajo como el agua o los gases refrigerantes.
En el caso de la solubilidad, generalmente las sustancias covalentes son solubles en los disolventes apolares, pero no en los disolventes no polares o apolares.
Por otro lado, algunos sólidos covalentes son técnicamente infusibles e insolubles, lo que resulta en excepciones al comportamiento general que hemos descrito, siendo ejemplo de ello el diamante por la gran estabilidad en sus redes cristalinas, debidas a que los átomos que las conforman se encuentran unidos entre sí mediante enlaces o compuestos covalentes.
Por ello su dureza y estabilidad, además de la complejidad de realizar en ellos cortes precisos que no distorsiones su estructura y menoscaben su valor que amerita gran precisión y fuerza contraria para lograr deshacer su red molecular rompiendo sus enlaces, proceso que consume tanto física como químicamente, gran cantidad de energía.
Cómo se producen las fuerzas de Van der Waals
Las fuerzas entre dipolos instantáneos o inducidos son producidas entre moléculas apolares como en el caso del nitrógeno, oxígeno o cloro y también entre átomos como el neón o el helio, recibiendo el nombre de fuerzas de dispersión (ergo, fuerzas de Van der Waals).
Este tipo de fuerzas es la que logra que estas sustancias puedan ser licuadas e incluso solidificadas. Las nubes electrónicas de las moléculas o de los átomos sufren vibraciones y producen dipolos con una orientación determinada, pero de vida muy breve, ya que en un instante después el dipolo tiene la orientación contraria.
Dichos dipolos inducen otra deformación en las moléculas contiguas y originan fuerzas de atracción entre ellas.
Características de las fuerzas de Van der Waals
- Procuran la estabilización molecular formando un enlace químico no covalente en el que existe la participación de 2 tipos de fuerzas o interacciones, como las fuerzas de dispersión (que son atrayentes) y las de repulsión sucedidas entre las capas electrónicas de 2 átomos contiguos.
- Todos los átomos, aunque sean no polares, forman pequeños dipolos; esto es debido al giro de los electrones en torno al núcleo.
- La presencia del dipolo transitorio hace que los átomos contiguos también se polaricen, produciendo pequeñas fuerzas de atracción electrostática entre los dipolos que forman todos los átomos, acción denominada: relación dipolo instantáneo o momentáneo – dipolo inducido.
- A las fuerzas de Van der Waals se les opone la repulsión electrostática entre las capas electrónicas de 2 átomos contiguos.
- El resultado de dichas fuerzas opuestas es una distancia mínima permitida entre los núcleos de 2 átomos contiguos, conocida esta como radio de Van der Waals.
- En el área de la biología y bioquímica se brinda especial importancia al estudio de estas fuerzas por ser uno de los enlaces no covalentes que posibilitan la estabilización y la conformación de las proteínas.