Las fuerzasion-dipolo describen la atracción electrostática entre un ion y una molécula neutra con un dipolo. El ion atraerá un lado del dipolo y repelerá el otro.
En este artículo examinaremos las fuerzas ion-dipolo y veremos por qué se consideran las FMI más fuertes. También nos sumergiremos en los dipolos inducidos por iones, que son una fuerza similar, pero mucho más débil.
Este artículo trata sobre las fuerzas ion-dipolo
Repasaremos el concepto de dipolo.
Después veremos cómo se producen las interacciones ion-dipolo y sus energías.
Por último, examinaremos las fuerzas dipolares inducidas por iones y veremos por qué son más débiles que las fuerzas ionodipolo.
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 (μ) es la medida de la magnitud del dipolo. La fórmula es
$$ \mu = q * r $$
Donde
- q = carga parcial de cada extremo del dipolo
- r = separación entre cargas (es decir, longitud del enlace)
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.
El potencial ion-dipolo es la energía potencial de atracción ion-dipolo. La fórmula es
$$ E = \frac{ -k|q_1|\mu } {r_1^2} $$
Donde
- k = constante de proporcionalidad (constante de Coulomb)
- q1 = carga del ion
- μ = momento dipolar de la molécula
- r1 = radio entre el ion y la molécula
(el subíndice se anota como 1 para diferenciar entre la q y la r utilizadas para calcular μ)
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.
Las fuerzas ion-dipolo tienen un papel importante en las proteínas. Suelen utilizarse cuando una reacción requiere una gran especificidad o una geometría fija. Por ejemplo, actúan como guardianes en los transportadores y canales iónicos, asegurándose de que sólo los iones adecuados atraviesen la membrana. Como otro ejemplo, estas interacciones mantienen el intermediario enzimático en una posición fija durante una reacción enzimática para que ésta pueda proceder correctamente.
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.
Una interacción dipolar inducida por iones se produce cuando un ion se acerca a una molécula no polar y los electrones de la molécula "responden", creando un dipolo.
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.
Si alguna vez has utilizado un imán cerca de un clip y has observado que otros clips se sienten atraídos por él, ¡se trata del mismo principio!
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.
Fuerzas ion-dipolo - Puntos clave
- Las fuerzasion-dipolo describen la atracción electrostática entre un ion y una molécula neutra con un dipolo. El ion atraerá un lado del dipolo y repelerá el otro.
- Los dipolos de las moléculas polares están causados por una diferencia de electronegatividades superior a 0,4.
- La fórmula del potencial ion-dipolo es \( E = \frac{ -k |q_1| \mu } {r_1^2} \)
- La intensidad de la fuerza ion-dipolo depende de tres cosas: La magnitud del momento dipolar, la distancia entre el ion y la molécula, y el tamaño de la molécula polar.
- Una interacción dipolar inducida por un ion se produce cuando un ion se acerca a una molécula no polar y los electrones de la molécula "responden", creando un dipolo. Estas interacciones son mucho más débiles que las fuerzas ion-dipolo.
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