Fuerzas Intermoleculares
totisalan13 de Septiembre de 2011
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INTERACCIONES DIPOLO INSTANTÁNEO-DIPOLO INDUCIDO
Sabemos hasta este momento que los átomos de un elemento son diferentes a los de otro,
fundamentalmente en el número de protones que hay en su núcleo y por tanto, en el número
de electrones que se encuentran alrededor de él. La diferencia en el número de electrones
y la manera en que éstos se encuentran distribuidos en los diversos niveles energéticos
u orbitales trae como consecuencia que los átomos de distintos elementos tengan
distintos tamaños. También sabemos que ese ordenamiento de los electrones en los orbitales
atómicos —la configuración electrónica—, determina qué tan atraídos se encuentran
esos electrones al núcleo, es decir, que los átomos de distintos elementos tienen distintos
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Figura 14.3
Momentos dipolares globales en moléculas triatómicas. La suma vectorial
es cero en el CO2, pero es distinta de cero en el H2O.
dipolos de enlance
momento dipolar global = 0
H H
O C O
O
dipolos de enlance
momento dipolar global ≠ 0
Figura 14.4
Ejemplos de moléculas y su correspondiente
geometría.
No polar No polar Polar
Polar Polar
H Cl
Cl
O O
Cl
H
H H
H
N
H H
Cl
B
F
F F Cl
Cl
Figura 14.5
Algunos disolventes comunes y sus momentos
dipolares.
CH3
CH2
O
H
etanol,
CH3
CH2 CH2
CH2
CH2
CH3
CH3
CH3
C O
Cl
Cl
C
H
H
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CAPÍTULO 14 Interacciones débiles 503
valores de energía de ionización. Tenemos también una idea acerca de qué tipo de átomos
son los que más van a atraer hacia sí a los electrones al formar enlaces con otros átomos y
llamamos electronegatividad a esta capacidad.
En este capítulo vas a aprender dos cosas: primero, a relacionar algunas propiedades
físicas observables de una sustancia, con la mayor o menor atracción que sienten entre sí
las partículas —átomos o moléculas— que la constituyen; y después, a encontrar la relación
entre la intensidad de la atracción con las propiedades microscópicas, a nivel de modelo
atómico.
CAPÍTULO
13
CAPÍTULO
14
INTRODUCCIÓN
1. Observa la tabla periódica y contesta, ¿en qué familia
de elementos crees que se encuentra la menor
interacción entre los átomos que los constituyen?
¿Será en la familia de los metales alcalinos?
¿En la de los halógenos?¿En la de los gases nobles
o inertes? Explica tu respuesta.
2. ¿Qué propiedad física observable, macroscópica,
te puede llevar a encontrar la respuesta a la pregunta
anterior? ¿Con qué característica microscópica,
a nivel de modelo atómico podríamos explicar
este comportamiento?
TE TOCA A TI:
Propiedades físicas y atracciones
Los gases inertes son gases monoatómicos a temperatura ambiente, lo que sugiere
que sus átomos se atraen poco entre sí. Además, el modelo del octeto de Lewis nos dice
que los átomos que forman estas sustancias tenderán a no ceder ni aceptar electrones para
formar enlaces con otros átomos. Todo esto sugiere que en esta familia es donde se encuentra
la menor interacción. Sin embargo, las propiedades físicas del helio, el neón, el
argón, el kriptón, el xenón y el radón, difieren considerablemente entre sí, tal como indican
las temperaturas de fusión y de ebullición incluidas en la tabla 14.2.
Tabla 14.2
Número atómico, radio de van der Waals, temperaturas de ebullición y fusión de los gases
inertes.
Elemento Número Radio de van Temperatura Temperatura de
atómico der Waals (pm) de fusión (K) ebullición (K)
Helio 2 122 4.18
Neón 10 160 24.4 27.13
Argón 18 191 83.6 87.29
Kriptón 36 198 115.8 120.26
Xenón 54 220 161.2 166.06
Radón 86 202 211
Imaginemos que tenemos a nuestras seis muestras en un refrigerador muy potente a
una temperatura de 3 K. En estas condiciones, el helio es un líquido y todas las demás
muestras son sólidas. Si proporcionamos algo de calor, lo que se manifestará en un aumento
en la temperatura, estaremos proporcionando energía que cada una de nuestras
muestras podrá utilizar para vencer las atracciones que existen entre los átomos que las
forman. Al subir la temperatura un poco por arriba de 4.18 K, los átomos de helio que se
encontraban unidos formando un líquido, empiezan a separarse originando helio gaseoso,
mientras que los demás elementos siguen siendo sólidos. Esto nos indica que, de los seis
gases nobles, es el helio en donde las fuerzas de atracción entre los átomos son más pe-
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504 SEGUNDA PARTE L a t e o r í a
queñas. Se necesita menos energía para separar a los átomos de helio y pasar del estado
sólido al líquido, y de éste al gaseoso.
Al aumentar la temperatura, digamos hasta 26 K, habremos proporcionado energía suficiente
para que los átomos de neón, que estaban rígidamente unidos formando un sólido,
se separen ligeramente de modo que puedan ahora fluir unos a través de otros en forma
de un líquido. Si llevamos la temperatura arriba de 28 K, los átomos de neón romperán
las atracciones con sus vecinos y tendremos un gas. Que la temperatura de ebullición del
neón sea mayor que la temperatura de ebullición del helio, nos dice que tenemos que proporcionar
más energía para separar a los átomos de neón que para separar a los átomos de
helio. Es decir, las fuerzas de atracción entre los átomos de neón son mayores que las
fuerzas de atracción entre los átomos de helio.
Podemos seguir con el análisis de estos valores y encontraremos que las temperaturas
de fusión y ebullición en estas sustancias aumentan al ir aumentando el número atómico.
Esto significa que la cantidad de energía necesaria para separar a los átomos de estas sustancias,
y pasar del estado sólido al gaseoso, aumenta al incrementar el tamaño de los átomos
en cuestión. Dicho de otra manera, los átomos de los gases nobles con mayor número atómico,
atraen a sus vecinos con mayor fuerza.
Las temperaturas de ebullición y fusión son dos propiedades físicas relacionadas
directamente con la fuerza de atracción entre los átomos y las moléculas. Si las
temperaturas de fusión y ebullición son altas es porque las fuerzas de atracción
son grandes.
Esta observación se puede explicar con el modelo que describe a los átomos. De
acuerdo con el modelo, todos los átomos de gases inertes tienen completo su último subnivel,
también llamado subnivel de valencia. Por esta razón, la nube electrónica alrededor
del núcleo tiene una geometría esférica y la densidad de carga electrónica es uniforme en
toda la esfera. Si esto es cierto para todos los átomos de los gases inertes, He, Ne, Ar, Kr,
Xe y Rn, ¿por qué hay mayores fuerzas de atracción en los más grandes?
La clave está en el modelo cuántico del átomo que nos dice que los electrones de un
átomo con subniveles llenos tendrán una mayor probabilidad de encontrarse dispuestos
uniformemente en una esfera, pero admite que existe cierta probabilidad de que, instantáneamente,
una mayor cantidad de electrones pueda colocarse digamos en un hemisferio,
dejando al otro momentáneamente con un déficit de carga negativa. Si en nuestra esfera
existe en un instante un exceso y un déficit de carga en dos sitios distintos, nuestra esfera
será un dipolo eléctrico instantáneo.
Otra forma de generar un dipolo eléctrico instantáneo es mediante la vibración de los
átomos en el sólido. Con la vibración, el núcleo del átomo se mueve desde el centro de la
carga negativa hacia un lado, generando de esta manera un dipolo instantáneo que provoca
que los átomos vecinos generen igualmente dipolos instantáneos inducidos por la presencia
del primero.
La probabilidad de que en un átomo esférico, la densidad de carga negativa pueda
momentáneamente polarizarse —generar un dipolo— (véase en el capítulo 4 el tema enlace
covalente polar) será mayor cuanto más grande sea el número de electrones en el
átomo y cuanto mayor sea el volumen en el que éstos se mueven. Así, se dice que los átomos
más grandes y con más electrones, son más polarizables.
El momento dipolar inducido por un campo eléctrico (E), que tiene unidades de carga
por distancia (C m), resulta ser proporcional al campo eléctrico aplicado multiplicado
por la permisividad del vacío, ε0 8.8542 1012 C2/(J m), llamándose polarizabilidad,
, a la constante de proporcionalidad:
ind ε0E
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CAPÍTULO 14 Interacciones débiles 505
La polarizabilidad es una variable que mide precisamente
...