1.7: Interacciones entre átomos y moléculas

En este punto hemos llegado a un modelo relativamente sencillo del átomo. No te preocupes, pasaremos a modelos más complejos y realistas en el próximo capítulo. En este sencillo modelo el átomo tiene un núcleo muy pequeño pero pesado que contiene tanto protones como neutrones. Al hablar de biología de vez en cuando, tenga cuidado de no confundir el núcleo de un átomo con el núcleo de una célula; son completamente diferentes —además de que son de tamaños muy diferentes—. Por ejemplo, no hay barrera alrededor del núcleo de un átomo; un núcleo atómico es un grupo de protones y neutrones. Alrededor del núcleo atómico hay electrones, en el mismo número que hay protones. El átomo no tiene carga eléctrica neta ya que el número de electrones es igual al número de protones.

Donde los electrones realmente están en un átomo, sin embargo, es una pregunta más difícil de responder, debido a consideraciones mecánicas cuánticas, específicamente el principio de incertidumbre de Heisenberg, al que volveremos en el próximo capítulo. Por ahora vamos a suponer que los electrones están fuera del núcleo y moviéndose. Podemos pensar en ellos como si fueran una nube de densidad de electrones en lugar de partículas zumbando alrededor (no te preocupes, pronto proporcionaremos evidencia para este modelo). Este sencillo modelo captura características importantes y nos permite comenzar a considerar cómo los átomos interactúan entre sí para formar moléculas y cómo esas moléculas pueden ser reorganizadas: ¡química real!

Hay cuatro fuerzas fundamentales que conocemos en este momento: la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Por ahora podemos ignorar en gran medida la fuerte fuerza nuclear que está involucrada en mantener unido el núcleo: .it es una fuerza atractiva entre neutrones y protones y es la más fuerte de todas las fuerzas conocidas en el universo,\(\sim 137\) veces más fuerte que la fuerza electromagnética. La fuerza nuclear fuerte, actúa a distancias muy cortas,\(\sim 10^{-15}\) m, o alrededor del diámetro del núcleo. La otra fuerza involucrada en el comportamiento nuclear, la fuerza débil, juega un papel en la estabilidad nuclear, específicamente la estabilidad de los neutrones, pero tiene un rango de acción aún más corto (\(10^{-18}\)m). Debido a que el núcleo es mucho más pequeño que el átomo mismo podemos (y haremos) ignorar las fuerzas nucleares débiles y fuertes cuando consideramos las interacciones químicas. La fuerza con la que probablemente estamos más familiarizados es la gravedad, que es la fuerza más débil, más de\(10^{-37}\) veces más débil que la fuerza electromagnética, y podemos ignorarla desde la perspectiva de la química, aunque sí tiene relevancia para la biología de dinosaurios, elefantes, ballenas y astronautas. La fuerza electromagnética es responsable de casi todos los fenómenos que encontramos en nuestra vida cotidiana. Si bien permanecemos anclados en la Tierra debido a la interacción gravitacional entre nuestro cuerpo y la Tierra, el hecho de que no caemos hasta el centro de la tierra se debe enteramente a interacciones electromagnéticas. Una característica obvia del mundo que experimentamos es que está lleno de cosas sólidas, cosas que se interponen en el camino del otro. Si los átomos y las moléculas no interactuaran entre sí, uno podría esperar poder atravesar paredes, dado que los átomos son en su mayoría espacios vacíos, pero claramente este no es el caso. Del mismo modo, tu propio cuerpo no se mantendría unido si tus átomos, y las moléculas que forman, no pudieran interactuar. Como veremos, todos los átomos y moléculas se atraen entre sí, un hecho que se desprende directamente de lo que sabemos sobre la estructura de los átomos y las moléculas.

Preguntas

Preguntas para reflexionar

• ¿Cómo sería un diagrama moderno de un átomo y cómo se podría usar para explicar?
• ¿Por qué los protones dentro de un núcleo no se repelen unos a otros?
• ¿Por qué los electrones y protones no se atraen entre sí y terminan en el núcleo?
• ¿Cómo interactúan los electrones dentro de un átomo?

Preguntas para más tarde

• ¿Puede un átomo tener propiedades químicas y/o físicas; si es así, qué son?
• ¿Cuáles son las propiedades químicas y físicas? ¿Puedes dar algunos ejemplos?
• ¿Qué distingue a un elemento de otro?

Interacciones entre átomos: una gama de efectos

Las atracciones y repulsiones entre las partículas cargadas y los imanes son manifestaciones de la fuerza electromagnética. Nuestro modelo de las interacciones entre átomos implicará únicamente fuerzas eléctricas; es decir, interacciones entre partículas cargadas eléctricamente, electrones y protones. Para entender esto necesitamos recordar de la física que cuando las partículas cargadas se acercan entre sí interactúan. Probablemente recuerdes que “cargas similares repelen y a diferencia de las cargas atraen”, y que esta interacción, que se conoce como interacción coulómbica, depende de los tamaños y signos de las cargas, y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas (esta interacción puede ser modelada por la ecuación: \[F = \alpha \frac{(q_1 x q_2 )}{r^2} \text { (Coulomb's Law).}\]

donde\(q_{1}\) y\(q_{2}\) son las cargas sobre las partículas y\(r\) es la distancia entre ellas. Es decir: hay una fuerza de atracción (o repulsión si las dos cargas son del mismo signo) que opera entre dos partículas cargadas cualesquiera. Esta descripción matemática de la interacción electromagnética es similar a la interacción debida a la gravedad. Es decir, para una interacción gravitacional debe haber al menos dos partículas (por ejemplo, usted y la Tierra) y la fuerza de la atracción depende de ambas masas, y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas:\[F = \alpha \frac{(m_1 x m_2 )}{r^2}\]

La diferencia entre las dos fuerzas son:

1. las interacciones gravitacionales son mucho más débiles que las interacciones electromagnéticas y
2. la gravedad es únicamente una interacción atractiva, mientras que las interacciones electromagnéticas pueden ser atractivas o repulsivas.

Ahora, consideremos cómo los átomos interactúan entre sí. Tomados como un todo, los átomos son eléctricamente neutros, pero están compuestos por partículas discretas cargadas eléctricamente. Además, sus electrones se comportan como objetos en movimiento. ^[19] Cuando se promedia a lo largo del tiempo la probabilidad de encontrar un electrón se extiende uniformemente alrededor de un átomo, el átomo es neutro. En cualquier instante, sin embargo, existe una probabilidad distinta de cero de que los electrones estén más en un lado del átomo que en el otro. Esto da como resultado fluctuaciones momentáneas en la densidad de carga alrededor del átomo y conduce a una acumulación de carga momentánea; por un instante un lado del átomo es ligeramente positivo (\(delta +\)) y el otro lado es ligeramente negativo (\(delta -\)). Esto produce lo que se conoce como un dipolo eléctrico instantáneo y transitorio, es decir, una separación de carga. A medida que un átomo distorsionado se acerca a otro átomo afecta la distribución de la densidad electrónica del segundo átomo y conduce a lo que se conoce como un “dipolo inducido”. Entonces, por ejemplo, si el extremo ligeramente positivo del átomo se ubica junto a otro átomo, atraerá al (los) electrón (s) en el otro átomo. Esto da como resultado una atracción general entre los átomos que varía como\(\frac{1}{r^{6}}\) — dónde\(r\) está la distancia entre los átomos. Tenga en cuenta que esto es diferente a la atracción entre especies completamente cargadas, la atracción coulómbica, que varía como\(\frac{1}{r^{2}}\). ¿Qué significa eso en términos prácticos? Bueno, lo más importante significa que los efectos de la interacción se sentirán sólo cuando los dos átomos estén bastante cerca el uno del otro.

A medida que se acerquen dos átomos, se sentirán cada vez más atraídos entre sí. Pero esta atracción tiene su límite —cuando los átomos se acercan lo suficiente, las interacciones entre los electrones cargados negativamente (y los núcleos cargados positivamente) de cada átomo aumentan muy rápidamente, lo que lleva a una repulsión general, lo que impedirá que los dos átomos se acerquen tan de cerca.

Un efecto similar se observó también en el experimento de Rutherford. Recordemos que aceleró partículas alfa cargadas positivamente hacia una lámina de átomos de oro. A medida que una partícula alfa se acerca al núcleo de un átomo de oro, la partícula alfa cargada positivamente (+2) y el núcleo positivo del átomo de oro (+79) comienzan a repelerse entre sí. De no estar involucrados otros factores, la fuerza repulsiva se aproximaría al infinito a medida que la distancia entre los núcleos (\(r\)) se acercaba a 0. (Deberías poder explicar por qué.) Pero las fuerzas infinitas no son algo que sucede en los mundos macroscópicos, atómicos o subatómicos, aunque sólo sea porque la energía total en el universo no es infinita. A medida que la distancia entre la partícula alfa y el núcleo de oro se acerca a cero, la interacción repulsiva crece lo suficientemente fuerte como para ralentizar la partícula alfa entrante y luego alejarla de la partícula objetivo. Si la partícula objetivo es pesada en comparación con la partícula entrante, como lo fue en los experimentos de Rutherford, el objetivo, compuesto por átomos de oro que pesan aproximadamente 50 veces más que la partícula alfa, no se moverá mucho mientras que la partícula alfa entrante se reflejará lejos. Pero, si el objetivo y la partícula entrante son de masa similar, entonces ambas se verán afectadas por la interacción y ambas se moverán. Curiosamente, si la partícula entrante tuviera suficiente energía inicial para acercarse lo suficiente (dentro de\(\sim 10^{-15}\) m) al núcleo objetivo, entonces la fuerte fuerza nuclear de atracción entraría en juego y comenzaría a estabilizar el sistema. El resultado sería la fusión de los dos núcleos y la creación de un elemento diferente, proceso que ocurre sólo en sistemas de muy alta energía como el centro de las estrellas o durante una explosión estelar, una supernova. Volvemos a esta idea en Capítulo\(3\).

Preguntas

Preguntas para responder

• ¿Cómo altera el descubrimiento de que los átomos tienen partes la teoría atómica de Dalton?
• ¿Cómo sería la distribución de las partículas alfa, en relación con el haz incidente, si el núcleo positivo tomara todo el átomo (algo así como el pudín de ciruela)? ¿Y si ocupó el 50% del átomo?
• ¿Cómo se ve realmente la distribución de las partículas alfa (recordemos que 1 de cada 8000 partículas fueron desviadas)?

Fuerzas y Energía: una visión general.

Nos gustaría tomarnos un tiempo para ayudarte a pensar en las interacciones (fuerzas) entre átomos y moléculas, y cómo estas interacciones conducen a cambios de energía. Estos cambios energéticos son responsables de la formación de moléculas, su reorganización a través de reacciones químicas, y las propiedades macroscópicas de las sustancias químicas (es decir, de todo). Si bien es posible que hayas aprendido sobre las fuerzas y la energía en tus clases de física, lo más probable es que estos conceptos no estuvieran explícitamente relacionados con cómo se comportan las cosas a nivel atómico-molecular. Vamos a comenzar con una discusión sobre las interacciones y los cambios energéticos que resultan de la fuerza de la gravedad, porque es casi seguro que estas ideas son algo con lo que estás familiarizado, ciertamente más familiarizados que las interacciones electromagnéticas, pero el propósito de esta sección es ayudarte a hacer el conexiones entre lo que ya se sabe (a nivel macroscópico), y cómo estas ideas se transfieren al nivel molecular, incluyendo similitudes y diferencias. Por ejemplo, las Leyes del Movimiento de Newton describen cómo se comportan los objetos cuando entran en contacto, digamos cuando una pelota de béisbol entra en contacto con un bate. Pero a menudo los objetos interactúan entre sí a distancia. Después de que la pelota es golpeada, sus movimientos están determinados principalmente por sus interacciones gravitacionales con todos los demás objetos del Universo, aunque debido a la naturaleza de la interacción gravitacional, con mucho la interacción más importante es entre la bola y la Tierra (ver abajo).

Una fuerza es una interacción entre objetos que provoca un tirón (atracción) o un empuje (repulsión) entre esos objetos. Cuando se produce tal interacción, hay un cambio en la energía de los objetos. Como se señaló anteriormente, existen cuatro fuerzas fundamentales: gravitacionales, electromagnéticas, las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Tendremos más que decir sobre la fuerza electromagnética que es relevante para entender las interacciones químicas, así es como se comportan los átomos y las moléculas. Muchos de los fenómenos con los que estás familiarizado se basan en fuerzas electromagnéticas. Por ejemplo, las fuerzas electromagnéticas impiden que la pelota pase por el bate — o que tú caigas al centro de la Tierra.

Ahora consideremos qué sucede cuando lanzas una pelota directamente al aire. Aplicas una fuerza a la pelota (a través de la acción de tus músculos), y una vez que deja tu mano la única fuerza que actúa sobre la pelota es la gravedad (estamos, por supuesto, ignorando la fricción debido a las interacciones con las moléculas en el aire). El balón, inicialmente en reposo, comienza a moverse hacia arriba. Con el tiempo, observas que la velocidad de la bola cambia, ya que la pelota se ralentiza, se detiene y vuelve a caer a la tierra. Entonces, ¿qué fuerzas provocan estos cambios? La respuesta es la fuerza de gravedad, que es función de las masas de la bola y la Tierra, que no cambian con el tiempo, y la distancia (\(r\)) entre la Tierra y la bola, que sí. Esta fuerza gravitacional\(F\), puede ser modelada por una ecuación que muestra que es proporcional al producto de las masas de la bola (\(M_{1}\)) y la Tierra (\(M_{2}\)) divididas por el cuadrado de la distancia entre los objetos (\(r\)). ^[20]

En las interacciones gravitacionales, la fuerza disminuye a medida que aumenta la distancia entre los objetos (la disminución es proporcional a\(\frac{1}{r^{2}}\)), lo que significa que cuanto más lejos te alejas de la Tierra, menor es la fuerza atractiva entre tú y la Tierra. Si te alejas lo suficiente, y te estás alejando de la Tierra, la interacción no será suficiente para mantenerte atraído por la Tierra y continuarás alejándote para siempre.

Por supuesto, por qué los objetos con masa se atraen entre sí es un tema para la física —más allá del alcance de este curso. ^[21] Lo que podemos decir es que la fuerza está mediada por un campo gravitacional. Cualquier objeto con masa interactuará con otros objetos con masa a través de este campo. También se puede decir que el campo transfiere energía a través del espacio entre dos (o más) objetos. Es decir, la interacción conduce a un cambio energético en el sistema de objetos que interactúan. En química nos preocupa tanto las fuerzas que provocan interacciones como los cambios energéticos que resultan.

¿Cómo influyen las fuerzas en la energía?

Si tomamos nuestro ejemplo macroscópico de que lanzas una pelota hacia arriba, sabemos que transfieres algo de energía a la pelota. Por supuesto esto plantea la pregunta “¿qué queremos decir con energía?” y desafortunadamente no tenemos una respuesta fácil, de hecho Richard Feynman alguna vez dijo famoso “en física no tenemos idea de lo que es la energía”. Los físicos podrían decir que la energía es la capacidad de hacer trabajo, para luego definir el trabajo como fuerza tiempos distancia, lo que realmente no nos lleva a ninguna parte, especialmente en química donde la noción de trabajo a menudo no es útil. Lo que podemos decir es que cualquier cambio va acompañado de cambios energéticos, y que podemos calcular o medir estos cambios energéticos. ^[22]

Es posible que esté familiarizado con lo que a menudo se conoce como “formas de energía”, como mecánicas, elásticas o químicas, pero en el nivel más básico todas las formas de energía que nos ocuparemos pueden describirse como energía cinética, energía potencial o energía electromagnética (por ejemplo, luz). La energía cinética a menudo se llama la energía del movimiento (\(\mathrm{KE}=1 / 2 mv^{2}\), donde\(m\) está\(v\) la masa y la velocidad del objeto), y la energía potencial la energía de la posición, o energía almacenada (se calcula de varias maneras como veremos). Los cambios entre las formas cinéticas y potenciales de energía involucran fuerzas. La pelota que lanzas hacia arriba y luego baja tiene cantidades cambiantes de energía cinética (cambia a medida que cambia la velocidad de la pelota) y energía potencial (que cambia a medida que cambia la distancia entre la Tierra y la pelota). A medida que la pelota sube, se puede observar que la velocidad de la pelota disminuye, y por lo tanto la\(\mathrm{KE}\) disminuye. Al mismo tiempo los\(\mathrm{PE}\) incrementos ya que la distancia entre la Tierra y la bola va en aumento. En el camino hacia abajo es cierto lo contrario, la pelota comienza a moverse más rápido — los\(\mathrm{KE}\) aumentos y las\(\mathrm{PE}\) disminuciones. Recordemos el principio de la conservación de energía; después de que la pelota abandone tu mano, no se agrega ni se quita energía a medida que la pelota está viajando, si una forma de energía aumenta, la otra debe disminuir.

Otro punto importante sobre la energía es que es una propiedad de un sistema, más que de un objeto. Si bien puede ser tentador considerar que una bola en movimiento tiene cierta cantidad de energía cinética, es importante recordar el marco de referencia desde el que estás considerando la pelota. Ciertamente la velocidad de la pelota está relacionada con la\(\mathrm{KE}\), pero esa velocidad depende de donde estés viendo la pelota desde donde estés viendo la pelota. Por lo general (casi siempre) consideramos la velocidad desde el punto de vista de un observador que está estacionario, pero si cambiamos el sistema que estábamos considerando, y vimos la pelota mientras también nos estábamos moviendo, entonces la velocidad de la pelota sería diferente. Esto puede parecer un punto bastante abstracto, pero es importante.

De igual manera es bastante tentador decir que la pelota tiene energía potencial, pero de hecho esto tampoco es del todo exacto. Es más preciso —y más útil— decir que el sistema de la bola y la Tierra tiene energía potencial —nuevamente estamos tomando una perspectiva de sistemas aquí. A diferencia de la energía cinética, la energía potencial en un sistema también depende de la fuerza que esté actuando sobre él, y esa fuerza es una función de la posición de los objetos que interactúan dentro del campo gravitacional. Por ejemplo, un objeto “sin fricción” que viaja a través de un espacio libre de campos (gravitacionales o de otro tipo) a una velocidad constante tiene una energía cinética constante, pero no energía potencial.

La energía potencial (a menudo llamada energía almacenada) o la energía de la posición, plantea la pregunta: ¿dónde se “almacena” la energía? Una manera útil de pensar sobre esto es que para el ejemplo de la pelota y la Tierra, esta energía se almacena en el campo gravitacional. De esta manera podemos acomodar la idea de que el\(\mathrm{PE}\) depende de la distancia entre los dos objetos que interactúan. También nos permitirá generar un concepto más general de energía potencial que será útil en la química, ya que extendemos estas ideas a interacciones de átomos y moléculas. Podrías preguntarte por qué entonces está bien decir que un objeto tiene energía cinética (siempre y cuando especifiques el marco de referencia), y la diferencia aquí es que cualquier objeto en movimiento puede tener energía asociada a él (por ejemplo, tú, un átomo o un automóvil), pero la energía potencial debe estar asociada con objetos que interactuando a través de un campo, ya sea gravitacional o electromagnético. Dicho esto, los campos están en todas partes —no hay lugar en el universo donde no haya campos (aunque se puedan equilibrar, dejando la fuerza neta cero). Lo importante aquí es que

1. entiendes que los objetos interactúan,
2. que estas interacciones provocan un cambio en la energía del sistema, y
3. que las fuerzas interactuantes dependen de la distancia entre los objetos que interactúan (así como de otros factores, como la masa, que son constantes).

La fuerza electromagnética:

Si bien las interacciones gravitacionales son, a todos los efectos, irrelevantes en química (¡excepto para mantener el vaso de precipitados en la mesa de laboratorio!) proporcionan un ejemplo familiar de la relación entre las energías cinéticas y potenciales de un sistema que podemos utilizar para explorar las interacciones electromagnéticas que son responsables del comportamiento de átomos y moléculas. Existen algunas similitudes importantes entre las interacciones gravitacionales y electromagnéticas; ambas actúan a distancia, ambas están mediadas por campos, y ambas muestran la misma relación entre fuerza y distancia. También hay diferencias importantes. En el contexto de la química, las interacciones electromagnéticas son mucho más fuertes y aunque la gravedad siempre es atractiva, las interacciones electromagnéticas pueden ser atractivas o repulsivas. ^[23]

Todos los objetos cargados eléctricamente interactúan a través de fuerzas electromagnéticas. Como ya hemos visto (y la voluntad de volver de nuevo) los átomos y moléculas están formados por partículas cargadas (electrones y protones) y éstas producen distribuciones de carga desiguales que conducen a los mismos tipos de interacciones. La fuerza de estas interacciones entre partículas cargadas se puede modelar usando una ecuación, la Ley de Coulomb. Notarás que su forma es similar a la Ley de Gravitación de Newton. Sin embargo, en lugar de las masas de los dos objetos que interactúan, la fuerza electromagnética depende de las cargas sobre las dos partículas (\(q_{1}\)y\(q_{2}\)). La fuerza electromagnética típicamente actúa en distancias mucho más cortas que la gravitación, pero es mucho más fuerte. Es la fuerza que afecta las interacciones de átomos y moléculas.

Al igual que con la fuerza gravitacional a medida que las partículas cargadas se acercan, la interacción (ya sea atractiva o repulsiva) se hace más fuerte. Al igual que la gravedad, la interacción entre partículas cargadas está mediada por un campo, que transfiere energía entre objetos que interactúan. Podemos identificar (y calcular) los tipos de cambios de energía que están ocurriendo a medida que las partículas interactúan. Por ejemplo, dos partículas con carga opuesta son atraídas entre sí. A medida que se acercan entre sí, la fuerza de atracción se vuelve más fuerte, las partículas se moverán más rápido —y sus energías cinéticas aumentan. Dado el hecho de que la energía se conserva, la energía potencial del sistema de partículas debe disminuir de manera similar. ^[24] Si, por otro lado las dos cargas son de la misma señal, entonces la fuerza entre ellas es repulsiva. Entonces, si dos partículas de la misma carga se mueven una hacia la otra, esta fuerza repulsiva disminuirá su velocidad (y energía cinética), y aumentará su energía potencial. A medida que disminuye la distancia entre las partículas, la repulsión eventualmente conducirá a que las dos partículas se alejen una de la otra.

Por supuesto te habrás dado cuenta de que hay un pequeño problema con las ecuaciones que describen tanto la gravedad como las fuerzas electromagnéticas. Si las fuerzas cambian a medida que\(r\) disminuye, ¿qué sucede cuando la distancia entre los objetos que interactúan se acerca a cero? Si confiáramos en las ecuaciones que hemos utilizado hasta ahora, como se\(r\) acerca a 0, la fuerza (ya sea repulsiva o atractiva) se acercaría al infinito. Claramente algo anda mal aquí ya que fuerzas infinitas no son posibles (¿sabes por qué?). La bola es detenida por la superficie de la Tierra —no cae en picado hacia el centro de la Tierra, y las partículas cargadas no se funden entre sí (ni vuelan a velocidad infinita). ¿Qué es lo que nos falta? Bueno, el problema radica en la idea de que estas ecuaciones realmente están lidiando con situaciones idealizadas como cargas puntuales o masas, más que tomar en cuenta el hecho de que la materia está compuesta por átomos, moléculas e iones. Cuando dos átomos, o dos moléculas (o dos partículas compuestas por átomos o moléculas) se acercan entre sí, eventualmente se acercarán lo suficiente como para que las repulsiones entre cargas similares se vuelvan más fuertes que las fuerzas atractivas entre cargas diferentes. Como veremos, cuando dos objetos macroscópicos parecen tocarse, realmente no lo hacen —lo que los detiene son las repulsiones electrón-electrónico de los átomos en la superficie de los objetos. ^{[25] Volveremos} a examinar todas estas ideas mientras discutimos cómo los átomos y las moléculas interactúan a nivel atómico-molecular, y cómo se comportan los electrones (cuántico mecánicamente).

Átomos que interactúan: fuerzas, conservación de energía y conversión

Demos un paso atrás, recojamos nuestros pensamientos y reflexionemos sobre la física de la situación. Primero, recordemos que se conserva la materia total y la energía de un sistema aislado; esa es la primera ley de la termodinámica. Como mencionamos anteriormente, si bien la energía y la materia pueden, en circunstancias especiales, ser interconvertidas, típicamente siguen siendo distintas. Eso significa que en la mayoría de los sistemas se conserva la cantidad total de materia y se conserva la cantidad total de energía, y que estos son separados.

Entonces consideremos la situación de átomos o moléculas en un gas. Estos átomos y moléculas se mueven aleatoriamente en un contenedor, colisionando entre sí y con las paredes del contenedor. Podemos pensar en los átomos/moléculas como una población. El pensamiento poblacional es útil para una serie de fenómenos, que van desde la desintegración radiactiva hasta la evolución biológica. Para la población de átomos/moléculas en su conjunto, hay una velocidad promedio y esta velocidad promedio es función de la temperatura del sistema. ^[26] Si tuviéramos que observar de cerca la población de moléculas, sin embargo, encontraríamos que algunas moléculas se están moviendo muy rápido y algunas se están moviendo muy lentamente; hay una distribución de velocidades y velocidades (velocidad + dirección).

A medida que dos átomos/moléculas se acercan entre sí sentirán la fuerza de atracción causada por las distorsiones de la densidad electrónica, estas se conocen como fuerzas de dispersión de Londres, que abreviaremos como LDF. Los efectos de estas LDF dependen de la fuerza de la interacción (es decir, la magnitud de las cargas y la distancia entre ellas) y de las energías cinéticas de los átomos y moléculas. Las LDF son una de una serie de fuerzas intermoleculares (IMF), que consideraremos más adelante. Las LDF son la base de las interacciones de van der Waals en sistemas biológicos.

Para simplificar las cosas vamos a imaginar un sistema muy sencillo: asumir por el momento que solo hay dos átomos aislados,\(\text{atom}_{1}\) y\(\text{atom}_{2}\). Los átomos están en reposo uno con respecto al otro, pero lo suficientemente cerca como para que las interacciones atractivas basadas en LDF entre ellos sean significativas. Para que esto ocurra tienen que estar bastante cerca, ya que tales interacciones atractivas disminuyen rápidamente, como\(\frac{1}{r^{6}}\) donde\(r\) está la distancia entre los dos átomos. En este punto, el sistema, que definiremos como los dos átomos, tiene cierta cantidad de energía. La cantidad exacta no importa, pero mientras estos dos átomos permanezcan aislados, y no interactúen con nada más, la energía permanecerá constante.

Entonces, ¿qué tiene que ver todo esto con que los átomos se acerquen entre sí? Podemos usar los mismos tipos de razonamiento para entender los cambios en la energía que ocurren a medida que los átomos se acercan entre sí. Inicialmente, el sistema tendrá una cierta cantidad de energía (cinético + potencial). Si los átomos están lo suficientemente cerca como para sentir los efectos de los atractivos LDF, comienzan a moverse uno hacia el otro, piensan en una bola que cae hacia la Tierra, y parte de la energía potencial asociada con el estado inicial de los átomos se convierte en energía cinética (\(\mathrm{E}_{\mathrm{K}}=1 / 2 mv^{2}\)).

A medida que se acercan entre sí, los LDF se vuelven más fuertes, los átomos se atraen más fuertemente entre sí; la energía potencial del sistema disminuye y se convierte en energía cinética, los átomos se mueven más rápido. ^[27] La energía total permanece igual mientras no haya otros átomos alrededor. Esto continúa hasta que los átomos se acercan lo suficiente como para que las interacciones repulsivas entre los electrones se vuelvan más fuertes y a medida que se acercan aún más de cerca las interacciones repulsivas entre los núcleos cargados positivamente también entran en juego, haciendo que la energía potencial en el sistema suba. A medida que los átomos comienzan a ralentizar su energía cinética se convierte de nuevo en energía potencial. Eventualmente se detendrán y luego serán repelidos el uno del otro. En este punto la energía potencial se convertirá de nuevo en energía cinética. A medida que se alejen, sin embargo, la repulsión será reemplazada por la atracción y se ralentizarán; su energía cinética se convertirá de nuevo en energía potencial. ^[28] Sin otros factores que actúen dentro del sistema, los dos átomos oscilarán para siempre. En la gráfica que muestra la energía potencial versus la distancia entre los átomos, vemos que la energía potencial del sistema alcanza un mínimo a cierta distancia. Más cerca que eso y las fuerzas electromagnéticas repulsivas entran en juego, más lejos y las atractivas fuerzas electromagnéticas (LDF) son dominantes. La distancia entre los dos átomos es una función de las fuerzas relativas de las interacciones atractivas y repulsivas. Sin embargo, incluso como mínimo, hay algo de energía potencial en el sistema, almacenada en el campo electromagnético entre los dos átomos. A temperaturas superiores al cero absoluto (\(0 \mathrm{ K}\)), el par de átomos también tendrá energía cinética —ya que oscilan de un lado a otro.

Aquí tenemos un principio central al que volveremos una y otra vez: una interacción estabilizadora siempre baja la energía potencial del sistema, y a la inversa una interacción desestabilizadora siempre eleva la energía potencial del sistema. En un sistema aislado con sólo dos átomos, esta oscilación continuaría para siempre porque no hay manera de cambiar la energía del sistema. Esta situación no ocurre en la vida real porque los sistemas de dos átomos no ocurren. Por ejemplo, incluso en un gas, donde los átomos están muy separados, normalmente hay un gran número de átomos que tienen un rango de velocidades y energías cinéticas presentes en el sistema. Estos átomos chocan frecuentemente y transfieren energía entre sí. Por lo tanto, cuando dos átomos chocan y comienzan a oscilar, alguna energía puede ser transferida a otras partículas por colisiones. Si esto sucede, se puede formar una interacción estable entre las dos partículas; éstas se “pegarán” entre sí. Si se acercan más partículas, también pueden llegar a ser atraídas, y si su energía extra es transferida por colisiones, las partículas pueden formar un grupo cada vez más grande.

Como discutimos anteriormente, los LDF surgen debido a las fluctuaciones de la densidad de electrones alrededor de los núcleos y son una característica común a todos los átomos; todos los átomos/moléculas se atraen entre sí de esta manera. La distancia entre átomos/moléculas donde esta atracción es mayor se conoce como el radio de van der Waals del átomo/molécula. Si los átomos/moléculas se acercan más entre sí que sus radios van der Waals se repelen entre sí. El radio de van der Waals de un átomo es característico para cada tipo de átomo/elemento. Como se mencionó anteriormente, es solo bajo condiciones de temperatura y presión extremas que los núcleos de dos átomos pueden fusionarse para formar un nuevo tipo de átomo; tal evento de fusión nuclear/atómica da como resultado la interconversión de la materia en energía. ^[29]

Preguntas

Preguntas para responder

• ¿Qué es la energía potencial? ¿Puedes dar un ejemplo?
• ¿Qué es la energía cinética? ¿Puedes dar un ejemplo?
• A nivel atómico, ¿qué crees que es la energía potencial?
• A nivel atómico, ¿qué crees que es la energía cinética?
• ¿Por qué el aumento de la temperatura afecta la velocidad de una molécula de gas?

Preguntas para reflexionar

• ¿Qué es la energía (tus ideas han cambiado desde antes)?

Preguntas para más tarde:

• Cuando hablamos de energía potencial de un sistema, ¿qué significa sistema?
• El helio se licua alrededor de 4K. ¿Qué hace que los átomos de helio se peguen? (¿Por qué no se convierten en un gas?)
• Considera dos átomos separados por 1 unidad espacial versus 4 unidades espaciales. ¿Cuánto más débil es la interacción entre los átomos más distantes? ¿Cómo se compara eso con el comportamiento de cargas simples (en lugar de átomos)?