FUERZAS INTERMOLECULARES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Sede Medellín

FACULTAD DE CIENCIAS – ESCUELA DE QUÍMICA

Preparado por:

Hormaza, A.

Valencia, C.

Vanegas, N.

Práctica N. 4: FUERZAS INTERMOLECULARES

1. OBJETIVOS

1. Diferenciar algunos tipos de interacción no enlazante que presentan los compuestos químicos y que incluyen fuerzas internas o intramoleculares y externas o intermoleculares.

2. Reconocer las distintas fuerzas intermoleculares y su intensidad relativa: fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de van der Waals y puentes de hidrógeno, así como apreciar su notable influencia sobre las propiedades físicas de los compuestos.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

FUERZAS INTERMOLECULARES

Dentro de una molécula, los átomos están unidos mediante fuerzas intramoleculares (enlaces iónicos, metálicos o covalentes, principalmente). Estas son las fuerzas que se deben vencer para que se produzca un cambio químico. Son estas fuerzas, por tanto, las que determinan las propiedades químicas de las sustancias.

Sin embargo existen otras fuerzas intermoleculares que actúan sobre distintas moléculas o iones y que hacen que éstos se atraigan o se repelan. Estas fuerzas son las que determinan las propiedades físicas de las sustancias como, por ejemplo, el estado de agregación, el punto de fusión y de ebullición, la solubilidad, la tensión superficial y la densidad, entre otras.

Por lo general son fuerzas débiles, no obstante, al ser muy numerosas su contribución es importante. La figura 1 resume los diversos tipos de fuerzas intermoleculares

Figura 1. Principales tipo de fuerzas intermoleculares

Los aminoácidos cargados de una proteína pueden establecer enlaces iónicos (puentes salinos) dentro de una proteína o entre proteínas distintas

FUERZAS ELECTROSTÁTICAS (IÓN-IÓN): Son las que se establecen entre iones de igual o distinta carga:

• 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 ley de Coulomb y es directamente proporcional a la magnitud de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Con frecuencia, este tipo de interacción recibe el nombre de puente salino. Son frecuentes entre una enzima y su sustrato, entre los aminoácidos de una proteína o entre los ácidos nucleicos y las proteínas (Ver Figura 2a).

Figura 2a. Fuerzas electrostáticas

FUERZAS IÓN-DIPOLO: Son las que se establecen entre un ión y una molécula polar. Por ejemplo, el NaCl se disuelve en agua por la atracción que existe entre los iones Na+ y Cl- y los correspondientes polos con carga opuesta de la molécula de agua. Esta solvatación de los iones

Figura 2b. Fuerzas ión-dipolo

FUERZAS IÓN-DIPOLO INDUCIDO: Tienen lugar entre un ión y una molécula apolar. La proximidad del ión provoca una distorsión en la nube electrónica de la molécula apolar que convierte (de modo transitorio) en una molécula polarizada. En este momento se produce una atracción entre el ión y la molécula polarizada.

Un ejemplo de esta interacción es la interacción entre el ión Fe++ de la hemoglobina y la molécula de O2, que es apolar. Esta interacción es la que permite la unión reversible del O2 a la hemoglobina y el transporte de O2 desde los pulmones hacia los tejidos (ver Figura 3).

Figura 2c. Unión reversible del O2 a la hemoglobina Formas no oxigenada de la hemoglobina

INTERACCIONES HIDROFÓBICAS: En un medio acuoso, las moléculas hidrofóbicas tienden a asociarse por el simple hecho de que evitan interaccionar con el agua. Lo hace por razones termodinámicas: las moléculas hidrofóbicas se asocian para minimizar el número de moléculas de agua que puedan estar en contacto con las moléculas hidrofóbicas (ver tabla inferior).

Este fenómeno se denomina efecto hidrofóbico y es el responsable de que determinados lípidos formen agregados supramoleculares. Como ejemplos de fuerzas hidrofóbicas se puden citar:

• las que se establecen entre los fosfolípidos que forman las membranas celulares (forman bicapas)

• las que se establecen en el interior de una micela durante la digestión de los lípidos

• las que hacen que los aminoácidos hidrofóbicos se apiñen en el interior de las proteínas globulares

FUERZAS DE VAN DER WAALS: Cuando 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.

El término "fuerzas de van der Waals" engloba colectivamente a las fuerzas de atracción entre las moléculas. Son fuerzas de atracción débiles que se establecen entre moléculas eléctricamente neutras (tanto polares como no polares), pero son muy numerosas y desempeñan un papel fundamental en multitud de procesos biológicos.

Las fuerzas de van der Waals incluyen:

• Fuerzas dipolo-dipolo (también llamadas fuerzas de Keesom), entre las que se incluyen los puentes de hidrógeno

• Fuerzas dipolo-dipolo inducido (también llamadas fuerzas de Debye)

• Fuerzas dipolo instantáneo-dipolo inducido (también llamadas fuerzas de dispersión o fuerzas de London)

FUERZAS DE POLARIDAD (DIPOLO-DIPOLO): Una molécula es un dipolo cuando existe una distribución asimétrica de los electrones debido a que la molécula está formada por átomos de distinta electronegatividad. Como consecuencia de ello, los electrones se encuentran preferentemente en las proximidades del átomo más electronegativo. Se crean así dos regiones (o polos) en la molécula, una con carga parcial negativa y otra con carga parcial positiva (Figura inferior izquierda).

Cuando dos moléculas polares (dipolos) se aproximan, se produce una atracción entre el polo positivo de una de ellas y el negativo de la otra. Esta 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. Un ejemplo particularmente interesante de las interacciones dipolo-dipolo son los puentes de hidrógeno.

PUENTES DE HIDRÓGENO: Los puentes de hidrógeno constituyen un caso especial de interacción dipolo-dipolo (Figura de la derecha). Se producen cuando un átomo de hidrógeno está unido covalentemente a un elemento que sea:

• muy electronegativo y con dobletes electrónicos sin compartir

• de muy pequeño tamaño y capaz, por tanto, de aproximarse al núcleo del hidrógeno

Estas condiciones se cumplen en el caso de los átomos de F, O y N.

El 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 (Figura de la izquierda). Se trata de un enlace débil (entre 2 y 10 Kcal/mol). Sin 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 3 Å. El hidrógeno se sitúa a 1Å del átomo al que está covalentemente unido y a 2 Å del que cede sus e- no apareados (Figura de la derecha).

Muchas de las propiedades físicas y químicas del agua se deben a los puentes de hidrógeno. Cada molécula de agua es capaz de formar 4 puentes de hidrógeno, lo que explica 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. Estos puentes de hidrógeno influyen notablemente en la temperatura de ebullición, la solubilidad, la tensión superficial y viscosidad. Por ejemplo, al existir la posibilidad de formar puentes de hidrógeno intermoleculares entre las moléculas de agua, se incrementa el punto de ebullición en comparación con moléculas de peso molecular similar.

Este enlace es fundamental en bioquímica, ya que:

• condiciona en gran medida la estructura espacial de las proteínas y de los ácidos nucleicos y

• está presente en gran parte de las interacciones que tienen lugar entre distintos tipos de biomoléculas en multitud de procesos fundamentales para los seres vivos.

Tabla 1. Distancia entre átomos de algunos elementos según Van der Walls y radios atómicos.

Elemento Radio de Van der Waals (A) Radio atómico efectivo (A)

H 1.20 0.32

N 1.50 0.70

O 1.40 0.66

S 1.85 1.04

FUERZAS DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO: Tienen lugar entre una molécula polar y una molécula apolar. En 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. En este momento se establece una fuerza de atracción entre las moléculas.

Gracias a esta interacción, gases apolares como el O2, el N2 o el CO2 se pueden disolver en agua

FUERZAS DIPOLO INSTANTÁNEO-DIPOLO INDUCIDO: También se llaman fuerzas de dispersión o fuerzas de London. En muchos textos, se identifican con las fuerzas de van der Waals, lo que puede generar cierta confusión.

Las

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