Fuerzas ion-dipolo

Significado de las fuerzas ion-dipolo

Antes de sumergirnos en las interacciones ion-dipolo, primero tenemos que profundizar en el concepto de dipolo. Un dipolo está presente en una molécula cuando un lado de la molécula es más electronegativo que el otro. Esto significa que un lado tiene más probabilidades de aceptar un electrón (más electronegativo), por lo que tiene una ligera carga negativa, mientras que el otro lado tiene más probabilidades de perder un electrón, por lo que tiene una ligera carga positiva.

Las tendencias de la electronegatividad son:

• Los elementos que están más cerca de la parte superior derecha de la tabla periódica (como el flúor, F) son muy electronegativos.
• Los elementos menos electron egativos (como el francio, Fr) están más cerca de la parte inferior izquierda.

Dipolos en las moléculas

Lo primero que debemos recordar es que no todas las moléculas con una diferencia de electronegatividades tendrán un dipolo. Veamos una comparación:

Fig. 1 - El _CH4 es un compuesto no polar sin dipolo, mientras que el NaCl es un compuesto polar con dipolo.

El metano, _CH4, no tiene dipolo, y ello por dos razones. La primera es que, aunque existe una diferencia de electronegatividades, la diferencia no es lo suficientemente grande.

Para que un compuesto se considere polar, la diferencia de electronegatividad tiene que ser superior a 0,4. El carbono tiene una electronegatividad de 2,5, mientras que el hidrógeno tiene una de 2,2. La diferencia de electronegatividad es lo suficientemente insignificante como para que la molécula no se considere polar. La segunda razón es que la molécula es simétrica. Aunque los enlaces fueran polares, la simetría lo niega. Piénsalo así: si 4 personas juegan al tira y afloja y todas tiran con la misma fuerza, el centro no se moverá.

En el caso del NaCl, esta molécula es polar y tiene un dipolo. La diferencia de electronegatividad entre el Na y el Cl es superior a 2, por lo que el enlace es muy polar. El Na tiene una electronegatividad menor, por lo que el lado "positivo" apunta hacia él, mientras que el lado "negativo" apunta hacia el Cl. La flecha se denomina momento dipolar.

El momento dipolar es importante para calcular la fuerza total de la interacción ion-dipolo. El momento dipolar es directamente proporcional a la energía potencial de la interacción

Fuerza de las fuerzas ion-dipolo

La interacción básica aquí es la atracción/repulsión entre el ion y el dipolo.

Fig. 2 - El anión atrae y repele diferentes extremos del dipolo

Las fuerzas ion-dipolo no tienen contacto, por lo que siempre habrá una distancia que separe al ion de la molécula. Medimos la energía de estas fuerzas mediante la fórmula del potencial ion-dipolo.

Observamos que el potencial ion-dipolo se obtiene a partir del potencial de la Ley de Coulomb, así

1. Dado el potencial de la Ley de Coulomb

$$ E = \frac{ -k q_1 q_2 } {r_1} $$

Donde k es la constante de Coulomb, _q1 es la carga del ion, _q2 es la carga del dipolo y _r1 es el radio entre el ion y la molécula.

2. A continuación, resolvemos la carga del dipolo, q2, y la introducimos en el potencial de la Ley de Coulomb:

\bin{align}& \mu = q_2 * r_1 \qquad (resolviendo~ para~ q_2,~ obtenemos) \& q_2 = \mu / r_1\end{align}

Sustrayendo para q2, obtenemos

$$ E = \frac{ -k q_1 (\frac {\mu} {r_1}) } {r_1} = \frac { -kq_1 \mu} { r_1^2} $$

La fuerza ionodipolar depende de tres cosas: La magnitud del momento dipolar, la distancia entre el ion y la molécula, y el tamaño de la molécula polar. Basándonos en la ecuación, podemos ver por qué estas dos primeras cosas son importantes. El tamaño de la molécula afecta al radio entre el ion y la molécula, pero también afecta a la facilidad con la que el ion interaccionará con ella. Si tenemos una molécula grande con muchos enlaces, será más difícil que un ion se acerque a la molécula.

Ejemplos de fuerzas ion-dipolo

Las fuerzas ion-dipolo se encuentran habitualmente en soluciones en las que un compuesto iónico se ha disuelto en un disolvente polar. El ejemplo más común es la sal en el agua.

Fig. 3 - Fuerzas ionodipolo entre la sal (NaCl) y el agua

El catión sodio (^Na+) atrae al oxígeno (O) parcialmente negativo, mientras que el anión cloro (^Cl-) atrae al hidrógeno (H) parcialmente positivo.

En este tipo de soluciones, el compuesto ionizado y el disolvente polar forman una "red". Aunque este ejemplo sólo muestra 1 ion ^Na+ y 2 ^Cl-, en realidad habría muchos, y cada ion sería atraído por varias moléculas de agua.

Fuerzas dipolares inducidas por iones

Existe otro tipo de fuerza ion-dipolo que es más débil que la que hemos visto anteriormente. Se trata de las fuerzas dipolares inducidas por iones.

Entonces, ¿qué queremos decir con "responder"? Veamos un diagrama de la interacción.

Fig. 4 - Un catión induce un dipolo en una molécula apolar

Los electrones de la molécula son atraídos por el catión. Como estos electrones son atraídos, la densidad electrónica se desplaza. Ahora que hay más electrones en el lado izquierdo que en el derecho, se forma un dipolo.

Estas interacciones serán mucho más débiles, ya que la carga del dipolo inducido en una molécula no polar es menor que la carga de un dipolo en una molécula polar.