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5.6: Moléculas, Fuerzas de Dispersión de Londres e interacciones de van der Waals

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    Hemos definido brevemente (ciertamente absurdamente brevemente) qué es la energía y hemos empezado a considerar cómo puede transformarse de una forma a otra. Ahora necesitamos considerar a qué nos referimos con materia, lo que implica una comprensión de la organización atómica de las moléculas que componen la materia. Como ojalá ya sepas, toda la materia está compuesta por átomos. La estructura interna de los átomos es el tema de la física cuántica y no vamos a entrar en ella a ninguna profundidad. Baste decir que cada átomo consiste en un diminuto núcleo cargado positivamente y una nube de electrones cargados negativamente 154. Típicamente, los átomos y las moléculas, que después de todo son colecciones de átomos, interactúan entre sí a través de una serie de diferentes tipos de interacciones. Las primeras son conocidas como interacciones de van der Waals, las cuales están mediadas por las Fuerzas de Dispersión de Londres (LDF). Estas fuerzas surgen del hecho de que los electrones relativamente ligeros cargados negativamente están en movimiento continuo, en comparación con los núcleos relativamente masivos y estacionarios cargados positivamente. Debido a que las cargas en los protones y electrones son iguales en magnitud el átomo es eléctricamente neutro, pero debido a que los electrones se están moviendo, en cualquier momento, un observador fuera del átomo o molécula experimentará un pequeño campo eléctrico fluctuante.

    A medida que dos moléculas se acercan entre sí, sus campos eléctricos fluctuantes comienzan a interactuar, esta interacción genera una LDF atractiva, que lleva el nombre de su descubridor Fritz Wolfgang London (1900—1954). Esta fuerza varía como ~1/R 6 donde R es la distancia entre las moléculas; esta relación significa que las LDF actúan solo en distancias muy cortas, típicamente menores de 1 nanómetro (1 nm = 10-9 m). Como marco de referencia, un átomo de carbono tiene un radio de ~0.07 nm. La magnitud de esta fuerza de atracción alcanza su máximo cuando las dos moléculas están separadas por lo que se conoce como la suma de sus radios de van der Waals (el radio de van der Waals de un átomo de carbono es de ~0.17 nm. Si se acercan a esa distancia, el atractivo LDF se ve rápidamente abrumado por una fuerza repulsiva que aumenta rápidamente y extremadamente fuerte que surge de las interacciones electrostáticas entre los núcleos cargados positivamente y los electrones cargados negativamente de las dos moléculas 155. Esta interacción repulsiva evita que los átomos se fusionen y es una de las razones por las que se puede formar una molécula.

    Cada átomo y molécula tiene su propio radio característico de van der Waals, aunque como la mayoría de las moléculas no son esféricas, es mejor referirse a la superficie de van der Waals de una molécula. Esta superficie es la distancia más cercana a la que dos moléculas pueden acercarse entre sí antes de que la repulsión entre en acción y las aleja una de la otra. Es común ver moléculas exhibidas en términos de sus superficies de van der Waals. Cada molécula genera LDF cuando se acerca a otra, por lo que las interacciones de van der Waals son universales. La única excepción implica que pares de moléculas “iónicas” pequeñas, cargadas de manera similar, es decir, moléculas con carga neta positiva o negativa permanente, se acerquen entre sí. La fuerza de su repulsión electrostática será mayor que sus LDF.

    La fuerza de las interacciones de van der Waals entre las moléculas está determinada principalmente por sus formas. Cuanto mayor sea la complementariedad superficial, más fuerte será la interacción. Compara la interacción entre dos átomos Noble monoatómicos, como helio, neón o argón, y dos moléculas con formas más complejas. Las dos partículas monoatómicas interactúan a través de LDF en un solo punto, por lo que la fuerza de la interacción es mínima. Por otro lado, las dos moléculas más complejas interactúan sobre superficies extendidas, por lo que las LDF entre ellas es mayor dando como resultado una interacción de van der Waals más fuerte.

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