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1.8: Interacciones entre átomos de helio y moléculas de hidrógeno

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    Ahora echemos un vistazo a un par de sistemas reales. Comenzamos considerando las interacciones entre los átomos más simples, hidrógeno (\(\mathrm{H}\)) y helio (\(\mathrm{He}\)), y la molécula más simple, el hidrógeno molecular (\(\mathrm{H}_{2}\)). Un átomo de hidrógeno típico consiste en un protón y un electrón, aunque algunos contienen uno o dos neutrones y forman “isótopos” conocidos como deuterio y tritio, respectivamente. Una molécula de hidrógeno es una entidad química completamente diferente: contiene dos átomos de hidrógeno, pero sus propiedades y comportamiento son bastante diferentes. Los átomos de helio tienen 2 protones y 2 neutrones en sus núcleos, y 2 electrones en sus nubes de electrones. Consideraremos átomos y moléculas más complicados después de discutir la estructura atómica con mayor detalle en el próximo capítulo. Una ventaja de enfocarnos en hidrógeno molecular y helio es que también nos permite introducir, comparar y considerar brevemente tanto las interacciones de van der Waals (por IMF) como los enlaces covalentes; haremos mucho más considerando más adelante.

    Cuando dos átomos de helio se acercan entre sí, los LDF entran en juego y se desarrolla una interacción atractiva. En el caso de\(\mathrm{He}\) la caída de energía potencial debido a la interacción es bastante pequeña, es decir, la estabilización debido a la interacción, y no se necesita mucha energía para separar a los dos átomos. Esta energía es entregada por colisiones con otros\(\mathrm{He}\) átomos. De hecho a presiones atmosféricas, el helio nunca es un sólido y el líquido\(\mathrm{He}\) hierve a\(\sim 4 \mathrm{~K}\left(-268.93^{\circ} \mathrm{C}\right)\), sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto o\(\sim 0 \mathrm{~K}\left(-273.15^{\circ} \mathrm{C}\right)\). [30] Esto significa que a todas las temperaturas por encima\(\sim 4 \mathrm{~K}\) hay suficiente energía cinética en los átomos del sistema para interrumpir las interacciones entre los átomos de He. La debilidad de estas interacciones hace que a temperaturas más altas, arriba\(4 \mathrm{~K}\), los átomos de helio no se “peguen”. El helio es un gas a temperaturas superiores\(4 \mathrm{~K}\).

    Ahora contrastemos el comportamiento del helio con el del hidrógeno (\(\mathrm{H}\)). A medida que dos átomos de hidrógeno se acercan entre sí forman una interacción mucho más estable, aproximadamente 1000 veces más fuerte que las fuerzas de dispersión de\(\mathrm{He-He}\) Londres. En una\(\mathrm{H-H}\) interacción los átomos se mantienen unidos por la atracción de cada núcleo para ambos electrones. La fuerza atractiva es mucho más fuerte y a medida que los átomos se acercan esto conduce a una caída mayor en la energía potencial y un mínimo para los dos átomos de hidrógeno que interactúan que es mucho más profunda que la de\(\mathrm{He-He}\). Debido a su estabilidad radicalmente diferente el\(\mathrm{H-H}\) sistema recibe un nuevo nombre; se le conoce como hidrógeno molecular o\(\mathrm{H}_{2}\) y la interacción entre los\(\mathrm{H}\) átomos se conoce como un enlace covalente. Para separar una molécula de hidrógeno de nuevo en dos átomos de hidrógeno, es decir, para romper el enlace covalente, tenemos que suministrar energía. [31] Esta energía puede tomar varias formas: por ejemplo, la energía entregada por colisiones moleculares con moléculas circundantes o por la absorción de luz, ambas conducen a la ruptura del enlace.

    Cada uno\(\mathrm{H}\) puede formar solo un único enlace covalente, lo que lleva a la formación de\(\mathrm{H-H}\) moléculas, que a menudo también se escriben como\(\mathrm{H}_{2}\) moléculas. Estas\(\mathrm{H-H}\) moléculas se sienten atraídas entre sí a través de LDF. Podemos comparar la energía asociada con el enlace\(\mathrm{H-H}\) covalente y el\(\mathrm{H}_{2} - \mathrm{H}_{2}\) FMI. Para romper un enlace\(\mathrm{H-H}\) covalente se necesita calentar el sistema a aproximadamente\(5000 \mathrm{~K}\). Por otro lado, para romper las fuerzas intermoleculares entre\(\mathrm{H}_{2}\) moléculas separadas, la temperatura del sistema sólo necesita elevarse a\(\sim 20 \mathrm{~K}\); por encima de esta temperatura\(\mathrm{H}_{2}\) se encuentra un gas. A esta temperatura, los IMF entre\(\mathrm{H}_{2}\) moléculas individuales no son lo suficientemente fuertes como para resistir la energía cinética de las moléculas en colisión. Ahora puede preguntarse, ¿por qué\(\mathrm{H}_{2}\) hierve a una temperatura más alta que\(\mathrm{He}\)? ¡Buena pregunta! Resulta que las fuerzas de los LDF dependen de varios factores, incluyendo la forma de la molécula, el área de superficie y el número de electrones. Por ejemplo, cuanto mayores son las áreas de superficie compartidas entre átomos o moléculas que interactúan, mayores son las LDF experimentadas y más fuerte es la interacción resultante. Otro factor es la capacidad de la nube de electrones para cargarse, una propiedad conocida como polarizabilidad. Se puede pensar en la polarizabilidad como la flacidez de la nube de electrones. Como guía aproximada, cuanto más lejos del núcleo están los electrones, más polarizable (flexible) se vuelve la nube de electrones. Volveremos a esto y temas relacionados más adelante. Como veremos, moléculas más grandes con geometrías más complejas, como las macromoléculas biológicas (proteínas y ácidos nucleicos), pueden interactuar a través de más área superficial y regiones polarizables, conduciendo a interacciones correspondientemente más fuertes.

    En este punto, probablemente (o debería estar) haciéndose algunas preguntas serias, como, ¿por qué los átomos de helio no forman enlaces covalentes entre sí? ¿Por qué un átomo de hidrógeno forma solo un enlace covalente? ¿Qué sucede cuando otros tipos de átomos interactúan? Para entender las respuestas a estas preguntas, debemos considerar cómo la estructura de los átomos difiere entre los diferentes elementos, que es el tema del siguiente capítulo.

    Preguntas

    Preguntas para responder

    • ¿Puedes dibujar una imagen (con unos 20 átomos de helio, representados como círculos) de cómo se vería el helio sólido si pudieras verlo?
    • ¿En qué se diferenciaría eso de las representaciones de helio líquido o helio gaseoso?
    • Ahora haz un dibujo similar de\(\mathrm{H}_{2}\). ¿Esto ayuda a explicar el punto de fusión más alto de\(\mathrm{H}_{2}\)?

    Pregunta para reflexionar

    • ¿En qué se diferencian las propiedades de los sólidos, líquidos y gases?

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