Fuerzas de Van der Waals

Definición de las fuerzas de Van der Waals

Para empezar, veamos la definición de las fuerzas de Van der Waals.

Cuando una especie tiene un dipolo, tiene un extremo parcialmente positivo (δ+) y otro parcialmente negativo (δ-). Estos polos actúan como los de un imán y atraerán cargas opuestas mientras repelen las similares.

Las fuerzas de Van der Waals son esencialmente el empuje/tiro provocado por el acercamiento de estas moléculas polares.

Tipos de fuerzas de Van der Waals

Hay tres tipos de fuerzas de Van der Waals que debes conocer:

1. Interacciones dipolo-dipolo
2. Interacciones dipolo-dipolo inducidas
3. Fuerzas de dispersión de London (dipolo instantáneo-dipolo inducido) estas fuerzas se clasifican según si las dos moléculas/átomos que interactúan tienen un dipolo permanente o temporal, de lo que hablaremos más adelante.

Hablemos ahora en detalle de cada una de estas fuerzas de Van der Waals.

Interacciones dipolo-dipolo

La más fuerte de las fuerzas de Van der Waals es interacciones dipolo-dipolo.

La forma de determinar si una molécula es polar o no se basa en la electronegatividad.

La electronegatividad aumenta cuanto más arriba a la derecha (flúor) se encuentra un elemento en la tabla periódica, y disminuye cuanto más abajo a la derecha (francio). La diferencia de electronegatividad es lo que determina la polaridad de los enlaces. Si dos átomos tienen una diferencia >0,5 de electronegatividad, el enlace es polar. Sin embargo, si una molécula es simétrica, la propia molécula será no polar, ya que las polaridades se anularán.

Veamos el HF como ejemplo:

Fig.1 El HF es una molécula polar con un dipolo permanente.

El flúor es mucho más electronegativo que el hidrógeno (3,98 > 2,2), por lo que la densidad electrónica es atraída hacia él. Por ello, el lado flúor de la molécula es parcialmente negativo (δ-). Esto también significa que el extremo del hidrógeno es parcialmente positivo (δ+), ya que carece de densidad electrónica.

Las moléculas como el HF participan en interacciones dipolo-dipolo debido a su dipolo. A continuación se muestra el aspecto de estas interacciones:

Fig.2-Atracción y repulsión dipolo-dipolo

El extremo parcial positivo es atraído por el extremo parcial negativo, ya que carece de densidad electrónica, mientras que el extremo parcial negativo tiene un exceso de ella. Sin embargo, los polos con la misma carga se repelerán.

Además, las moléculas polares pueden estar en cualquier orientación y seguir experimentando estas fuerzas. Las moléculas pueden estar una encima de otra o enfrentadas en diagonal, y estas fuerzas seguirán produciéndose siempre que las moléculas estén lo suficientemente cerca.

Es útil pensar en estas moléculas como si fueran imanes. Si sostienes un imán encima de otro imán (con los extremos opuestos paralelos), los imanes se atraerán entre sí y posiblemente se chasquearán.

Interacciones dipolares inducidas por dipolos

Hablemos ahora del segundo tipo de fuerzas de Van der Waals: las interacciones dipolares inducidas por dipolos.

A continuación se muestra un diagrama que muestra cómo se forma un dipolo inducido:

Fig. 3-Una molécula polar induce un dipolo en un átomo neutro

Cuando un átomo/molécula neutro se acerca al extremo positivo de una molécula polar, sus electrones serán atraídos hacia ese polo. Esto hace que los electrones tengan una distribución desigual, dando lugar a un dipolo temporal. Sólo es temporal, ya que el dipolo se invertirá una vez que la molécula polar esté lo suficientemente lejos.Dado que estos dipolos son temporales, estas interacciones son más débiles que las fuerzas dipolo-dipolo.

Fuerzas de dispersión de London

A continuación tenemos las fuerzas de dispersión de London.

En una molécula no polar, los electrones están repartidos uniformemente, sin embargo, como los electrones se mueven alrededor de la nube electrónica, pueden repartirse al azar de forma desigual, como se muestra a continuación.

Fig.4 Una especie neutra forma un dipolo instantáneo

A diferencia de los dipolos inducidos, que sólo existen mientras está presente una molécula polar, los dipolos instantáneos aparecen y desaparecen al azar y por sí solos.Aunque son débiles, un dipolo instantáneo puede inducir dipolos. Por eso las moléculas no polares tienen algunas fuerzas entre ellas, a pesar de ser no polares. Las fuerzas de dispersión de London son la interacción entre el dipolo instantáneo y el dipolo inducido, como se muestra a continuación.

Fig.5 La interacción entre el dipolo instantáneo y el dipolo inducido.

Puesto que ambas especies eran originalmente no polares, las fuerzas de dispersión de London son las más débiles de las fuerzas de Van der Waals.

Factores que afectan a las fuerzas intermoleculares de Van der Waals

Las fuerzas de Van der Waals se ven afectadas por tres factores

1. Número de electrones

   • Cuanto mayor sea el número de electrones, más probable será que se formen dipolos instantáneos.

     • Ej: El argón (18 electrones) tiene un punto de ebullición más bajo que el xenón (54 electrones), lo que significa que el argón tiene fuerzas más débiles

2. Forma de la molécula

   • Las moléculas largas y no ramificadas tienen fuerzas más fuertes que las cortas y ramificadas.

     • Ej: el isobutano tiene un punto de ebullición más bajo que el butano, ya que el isobutano está ramificado, mientras que el butano no lo está.

3. Distancia

   • Cuanto más alejadas están las moléculas/átomos, más débiles son sus interacciones

     • La ley de Coulomb establece que la fuerza entre dos cargas se debilita cuanto más alejadas están

       • $$F=k\frac{q_1q_2}{r^2} \text{donde k es una constante, _q1 y _q2 son cargas diferentes y r es la distancia entre ellas}$$

Mientras que las fuerzas de dispersión de London no se ven afectadas por la temperatura, las interacciones dipolo-dipolo sí.

Importancia de las fuerzas de Van der Waals

Las fuerzas de Van der Waals son importantes por varias razones. He aquí algunos ejemplos:

• Influyen en las propiedades de diversos compuestos orgánicos y sólidos moleculares.

• Son la razón por la que las moléculas/átomos no polares pueden convertirse en sólidos y líquidos

• Se utilizan en varios campos, como la biología estructural y la ciencia de los polímeros

• Estabilizan las estructuras proteicas

Sólo con esta pequeña lista, ¡ya puedes ver por qué estas fuerzas son tan importantes!

Ejemplos de fuerzas de Van der Waals

Como acabo de mencionar, las fuerzas de Van der Waals son muy importantes, y podemos ver pruebas de ello en nuestra vida cotidiana.

Las salamanquesas y las arañas tienen en las patas pequeñas cerdas parecidas a pelos que utilizan para adherirse a superficies lisas ¡e incluso para estar boca abajo! Esto se debe a las fuerzas de atracción de van der Waals entre estas cerdas y las superficies sobre las que caminan. Los científicos han intentado reproducir este fenómeno fabricando "Geckskin", que también utiliza estas fuerzas. Aunque todavía se están realizando pruebas, ¡podríamos tener algún día un Spiderman de verdad!

Otro ejemplo: las fuerzas de Van der Waals son las que mantienen unidos los "peldaños" de la escalera del ADN. Sin estas fuerzas, el ADN no tendría la estabilidad necesaria y sería propenso a deshacerse, ¡lo que sería un gran problema para nosotros!