Fuerzas intermoleculares: definición, tipos, ecuaciones, ejemplos

Las características de los sistemas químicos son observables cuando representan las propiedades generales de la materia. Por ejemplo, una molécula individual no hierve, mientras que hierve a granel. Las colecciones de moléculas de agua tienen propiedades humectantes mientras que las moléculas individuales no las tienen. El agua, como toda la materia, puede existir en diferentes estados. Existe como hielo en estado sólido, existe como líquido y en estado gaseoso como vapor o vapor. Las propiedades físicas de los tres estados de la materia son muy diferentes. Sin embargo, incluso si las propiedades físicas están cambiando, las propiedades químicas no cambian. Pero debemos tener en cuenta que la velocidad de las reacciones químicas depende en cierta medida del estado físico. 

Por lo tanto, para comprender los diferentes estados de la materia y sus estructuras, debemos comprender qué son las fuerzas intermoleculares, las interacciones moleculares, sus naturalezas, el efecto de la energía térmica y el movimiento de las partículas. El equilibrio de todos estos parámetros define el estado físico de una sustancia.   

Las fuerzas de atracción y repulsión entre átomos y moléculas que interactúan se denominan fuerzas intermoleculares .

Estas fuerzas intermoleculares son responsables de la mayoría de las propiedades químicas y físicas de la materia. Por ejemplo, cuanto mayores son las fuerzas intermoleculares, mayor es el punto de ebullición. Podemos concluir con seguridad que el punto de ebullición de un elemento es directamente proporcional a la fuerza de sus fuerzas intermoleculares.

Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas intermoleculares atractivas. Varían en gran medida en magnitud y se clasifican en consecuencia. Incluyen fuerzas de dispersión o fuerzas de London, fuerzas dipolo inducidas por dipolo y fuerzas dipolo-dipolo. El enlace de hidrógeno es una interacción dipolo-dipolo, pero se considera por separado porque solo unos pocos elementos pueden participar en la formación de enlaces de hidrógeno.

Nota : Las fuerzas ion-dipolo también son fuerzas intermoleculares, pero no se consideran bajo las fuerzas de van der Waals. Podemos usar el punto de ebullición de un elemento como parámetro para categorizar las fuerzas intermoleculares.

Fuerzas de Dispersión o Fuerzas de London

Las Fuerzas de Dispersión o Fuerzas de London son aquellas que surgen debido al movimiento de los electrones, creando una carga temporal positiva y negativa. Tiene lugar principalmente en átomos y moléculas no polares que son eléctricamente simétricas y no tienen momento dipolar.

Como podemos ver en la imagen de arriba, primero consideramos dos átomos A y B que no tienen momento dipolar. A continuación, podemos ver el Átomo A con un dipolo instantáneo con más densidad electrónica en el lado derecho, mientras que el Átomo B tiene un dipolo inducido. En la parte final podemos observar como el Átomo A tiene más densidad electrónica en el lado izquierdo. El átomo B tiene un dipolo inducido.

Las fuerzas de London operan a corta distancia (~500 pm) y su magnitud depende en gran medida de la polarizabilidad de la partícula. Es la fuerza más débil de todas las fuerzas intermoleculares.

Interacciones dipolo-dipolo

Las moléculas polares son aquellas moléculas que tienen un dipolo neto debido a las cargas opuestas en cada extremo. Tienen interacciones dipolo-dipolo como fuerzas atractivas. Sus dipolos permanentes debido a las electronegatividades variables de los átomos están asociados con un enlace covalente. La parte parcialmente positiva de la molécula polar atrae a la parte parcialmente negativa de otra molécula.

Por ejemplo, las moléculas de HCl tienen interacciones dipolo-dipolo.

El hidrógeno es menos electronegativo en comparación con el cloro. Así, el Cloro adquiere una carga parcialmente negativa mientras que el Hidrógeno adquiere una carga parcialmente positiva. Por lo tanto, la interacción dipolo-dipolo tiene lugar entre las moléculas de HCl.

Enlaces de hidrógeno

Como se mencionó anteriormente, este es un caso especial de interacción dipolo-dipolo. Esto se encuentra principalmente en moléculas en las que están presentes enlaces OH, HF o NH altamente polares.

Se considera que el enlace de hidrógeno se limita principalmente al nitrógeno, el oxígeno y el flúor, pero en algunos casos, especies como el cloro también participan en el enlace de hidrógeno.  

Interacciones ion-dipolo

Estas son como interacciones dipolo-dipolo, con la única excepción de que surgen entre moléculas polares e iones. La fuerza de las interacciones ion-dipolo depende de lo siguiente:

• El tamaño de la molécula polar.
• La carga y el tamaño del ion.
• La magnitud del momento dipolar.

Por ejemplo, cuando se mezcla NaCl con agua, las moléculas de H2O (polares) son atraídas por los iones de Na (sodio) y Cl (cloro) en el vaso de precipitados.

Interacciones dipolo inducidas por iones

En las interacciones dipolares inducidas por iones, un ión es polarizado por una molécula no polar. Las moléculas no polares se comportan como dipolos inducidos al adquirir carga.

Esta interacción entre el ion y el dipolo inducido es una interacción dipolo inducida por iones.  

Interacciones dipolo inducidas por dipolo

Las interacciones dipolo inducidas por dipolo son similares a las interacciones inducidas por iones, con la excepción de que los no polares se convierten en dipolos inducidos debido a la presencia de una molécula polar.

Estas fuerzas están entre las moléculas polares que tienen un dipolo permanente y las moléculas que carecen de dipolo permanente.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Cuál es la diferencia entre las fuerzas intermoleculares y las interacciones térmicas?

Responder:

La diferencia entre las fuerzas intermoleculares y las interacciones térmicas es la siguiente:

Fuerzas intermoleculares	Interacciones Térmicas
Las fuerzas de atracción y repulsión entre átomos y moléculas que interactúan se denominan fuerzas intermoleculares.	La medida total de la suma de la energía cinética de todos los átomos y moléculas se llama energía térmica.
Estas fuerzas se deben al dipolo de una o ambas moléculas dadas.	Estas fuerzas se deben al movimiento de las partículas.
Mayores fuerzas intermoleculares conducen a que la sustancia esté en estado sólido.	Mayores interacciones térmicas no permitirán que la sustancia permanezca en estado sólido.
Estas fuerzas mantienen unidas a las partículas.	Estas fuerzas mantienen separadas a las partículas.
No tienen ningún efecto debido a la temperatura, pero el punto de ebullición de la sustancia es directamente proporcional a la fuerza de las fuerzas.	La energía térmica es directamente dependiente/proporcional a la temperatura.
Las fuerzas intermoleculares son débiles en la fase gaseosa y más fuertes en el estado sólido.	Las fuerzas térmicas son débiles en estado sólido y altas en fase gaseosa.
El volumen de la materia dada es menor cuando las fuerzas intermoleculares son altas.	El volumen de la materia dada es mayor cuando las interacciones térmicas son altas.
Los gases no se pueden licuar en la compresión solo debido a las fuertes fuerzas intermoleculares.	Los gases se pueden licuar fácilmente reduciendo la energía térmica al bajar la temperatura.
Predominio de las Fuerzas Intermoleculares	Predominio de las Interacciones Térmicas

Pregunta 2: ¿Qué es el enlace de hidrógeno?

Responder:

El enlace de hidrógeno es un caso único especial de interacción dipolo-dipolo. Las interacciones dipolo-dipolo son las fuerzas de atracción sobre las moléculas polares. Los enlaces de hidrógeno se encuentran principalmente en moléculas en las que están presentes enlaces OH, HF o NH altamente polares. Se considera que se limita principalmente al nitrógeno, el oxígeno y el flúor, pero en algunos casos, especies como el cloro también participan en los enlaces de hidrógeno.  

Pregunta 3: Explique la energía de interacción de las fuerzas de dispersión y las interacciones dipolo-dipolo.

Responder:

Las Fuerzas de Dispersión o Fuerzas de London son aquellas que surgen debido al movimiento de los electrones, creando una carga temporal positiva y negativa. Las fuerzas de London operan a corta distancia (~500 pm) y su magnitud depende en gran medida de la polarizabilidad de la partícula. La energía de interacción de las fuerzas de dispersión es inversamente proporcional a la sexta potencia de la distancia entre dos partículas.

Energía de interacción α 1/x ⁶ , donde x es la distancia entre dos partículas dadas.

Las interacciones dipolo-dipolo son las fuerzas de atracción sobre las moléculas polares. Se encuentran entre moléculas polares que en su mayoría son de dos tipos. El primer tipo es estacionario, mientras que el otro es giratorio. 

La energía de interacción de las interacciones dipolo-dipolo es inversamente proporcional a la tercera potencia de la distancia entre dos partículas en el caso de moléculas polares estacionarias.  

Energía de interacción α 1/x ³ , donde x es la distancia entre dos partículas dadas.

La energía de interacción de las fuerzas dipolo-dipolo varía inversamente a la sexta potencia de la distancia entre dos partículas en el caso de moléculas polares en rotación.

Energía de interacción ∝ 1/x ⁶ , donde x es la distancia entre dos partículas dadas.

Pregunta 4: ¿Por qué el hielo tiene menor densidad que el agua?

Responder:

El enlace de hidrógeno afecta las propiedades físicas de los compuestos. El hielo tiene enlaces de hidrógeno como fuerzas intermoleculares. Por lo tanto, tiene una densidad más baja que el agua debido a los enlaces de hidrógeno y la estructura del hielo en forma de jaula.

El hielo tiene una estructura cristalina tridimensional hexagonal (según datos cristalográficos de rayos X). Esta estructura cristalina hexagonal se forma debido a los enlaces de hidrógeno intermoleculares.

Cuando el hielo se derrite, la mayoría de los enlaces de hidrógeno se rompen y algunos de los espacios vacíos son ocupados por moléculas de agua. Las moléculas de agua líquida están, por lo tanto, más empaquetadas que las moléculas en el hielo. Por lo tanto, el hielo tiene una densidad menor que el agua.

Pregunta 5: El agua tiene una densidad máxima a 4 ^o Celsius. ¿Por qué?

Responder:

Las moléculas de agua en el hielo existen en una red cristalina con mucho espacio vacío. 

Cuando el hielo se derrite y se convierte en agua líquida, la densidad del agua aumenta a medida que la estructura comienza a romperse y colapsar. A medida que aumentamos la temperatura, las moléculas comienzan a moverse más rápido y se separan más. A medida que aumenta la temperatura, la densidad disminuye. A temperaturas cercanas a los 0 ^o C, el agua todavía tiene varios cúmulos parecidos al hielo. A medida que la temperatura del agua tibia disminuye, las moléculas de agua se ralentizan y la densidad aumenta. A los 4 ^o C, los racimos comienzan a formarse. Las moléculas todavía se están desacelerando y acercándose, pero la formación de grupos hace que las moléculas estén más separadas. La formación de grupos es el efecto más grande, por lo que la densidad comienza a disminuir. Así, la densidad del agua es máxima a 4 ^o C. 

Pregunta 6: ¿De qué depende la fuerza de los enlaces de hidrógeno?

Responder:

La fuerza de los enlaces de hidrógeno depende de la interacción culómbica entre el par de electrones solitarios de un átomo electronegativo de una molécula y el átomo de hidrógeno de otra molécula.