Fuerzas Intermoleculares: Tipos y Efectos en la Materia

Una vez estudiadas las uniones químicas, nos resta analizar en base a ellas por qué, a la misma temperatura, algunas sustancias son sólidas a temperatura ambiente mientras que otras son líquidas o gaseosas.

Hemos visto que las fuerzas que mantienen unidos a los iones en los compuestos iónicos se deben a la atracción electrostática entre cargas de signo opuesto. Como se trata de fuerzas intensas, los puntos de fusión y ebullición de estas sustancias serán bastante elevados. Pues será necesario entregar una gran cantidad de energía para separar los iones.

En los compuestos moleculares, como son los covalentes, el pasaje de un estado de agregación a otro no implica la ruptura de uniones entre átomos, ya que las moléculas mantienen su estructura. Como sabemos, las sustancias covalentes no existen solamente al estado gaseoso, sino también en estados condensados. Por lo tanto, debe haber fuerzas que mantienen unidas a las moléculas. Tal como lo indican los bajos puntos de fusión y de ebullición, esas fuerzas deben ser relativamente pequeñas, ya que debemos entregar poca energía para separar las moléculas. Por lo tanto, deben existir ciertas fuerzas que actúan entre las moléculas y que son las responsables, por ejemplo, de la cohesión de los sólidos moleculares. Son las denominadas fuerzas intermoleculares. Estas fuerzas actúan entre moléculas y son mucho más débiles que las fuerzas que mantienen unidos a los átomos entre sí. Su intensidad a una cierta temperatura determina si una sustancia será gaseosa, líquida o sólida a dicha temperatura. Cuanto más intensas sean las fuerzas intermoleculares, más altos serán los puntos de fusión y de ebullición.

Tipos de Fuerzas Intermoleculares

Hay tres tipos principales de fuerzas intermoleculares:

• Fuerzas debidas a dipolos transitorios o fuerzas de London.
• Fuerzas debidas a dipolos permanentes o fuerzas dipolo-dipolo.
• Uniones puente de hidrógeno.

Fuerzas Dipolo-Dipolo

Se producen entre moléculas polares debido a la atracción entre los extremos positivos y negativos de moléculas adyacentes. Por ejemplo, en el cloruro de hidrógeno (HCl) se atraerá la región de mayor densidad electrónica del cloro con la de menor densidad electrónica de otra molécula de HCl. En el caso de una unión covalente, al menos que los dos núcleos correspondan al mismo elemento, el par electrónico nunca es compartido igualmente por ambos. Por ende, en la mayoría de los compuestos covalentes existirá algún grado mayor o menor de transferencia electrónica, así como de compartimiento de electrones. Es por eso que la nube electrónica se distorsiona (no es simétrica), quedando desplazada hacia el átomo más electronegativo de la unión, dando origen a la formación de un dipolo y lleva el nombre de unión covalente polar. En los enlaces que tienen carácter polar, pero este no es lo suficientemente grande para que la unión química sea iónica, existirá una transferencia electrónica parcial dentro de la molécula y el par electrónico se sigue compartiendo en alguna medida. Por ejemplo, en el caso del cloruro de hidrógeno (HCl), sucede lo siguiente:

Son estas atracciones dipolo-dipolo las que deben ser vencidas para fundir el sólido y, por lo tanto, influyen en el punto de fusión. Persisten al estado líquido, influyendo también en el punto de ebullición. Al estado gaseoso, con las moléculas muy separadas, ya no resultan efectivas. Al bajar la temperatura o subir la presión, las moléculas se acercan más unas a otras y las atracciones entre los dipolos ayudan a llevarlas al estado líquido y sólido.

Las fuerzas dipolo-dipolo también nos permiten explicar las atracciones existentes entre un ion positivo o negativo y el extremo de carga opuesta de la molécula de un solvente polar. Esto explicaría la solubilidad de las sustancias iónicas en estos solventes. Cada especie iónica se rodea de un cierto número de moléculas de solvente.

Unión por Puente de Hidrógeno

Es un caso especial de unión dipolo-dipolo y resulta de la atracción entre un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo muy electronegativo (como flúor, nitrógeno u oxígeno), y un segundo átomo muy electronegativo perteneciente a otra molécula.

Ejemplo: HF

F - H---------F - H-----------F - H

El fuerte dipolo que se produce en la unión HF, con el pequeño átomo de H portando una muy baja densidad electrónica, hace que este sea atraído y actúe como puente con otro átomo electronegativo.

Ejemplo: H₂O

H - O - H---------O - H

                                                  H-------------O

Las fuerzas intermoleculares por puente de hidrógeno son las más intensas.

Fuerzas de London o Dipolo Transitorio

El modelo de interacciones entre dipolos no explica la existencia de líquidos y sólidos formados por moléculas no polares. Sin embargo, sabemos que sustancias no polares como el CO₂ forman líquidos y sólidos (el dióxido de carbono es el hielo seco). Esto significa que las moléculas no polares también pueden interactuar entre sí para formar estructuras organizadas. Esta interacción entre moléculas no polares se llama fuerzas de London y son el resultado de corrimientos momentáneos en la simetría de la nube electrónica de una molécula o de un átomo. Cuando hay una gran cantidad de moléculas, se producen interacciones que dan como resultado una polarización transitoria. Tan pronto como surge una débil carga positiva en un extremo de la molécula, esta induce una débil carga negativa en otra molécula cercana a ella, formándose un dipolo inducido o transitorio. Por un instante hay una fuerza de atracción entre estas moléculas. En general, las fuerzas de London son muy débiles.