5. Enlace débil | 🔗 Enlace químico | Joseleg

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También conocidas como fuerzas intermoleculares o interacciones intermoleculares, son una serie de fuerzas de atracción o de repulsión que actúan entre las partículas, sean estos átomos, moléculas o iones. Estas interacciones son débiles cuando se las compara con las fuerzas intermoleculares también conocidas como los enlaces químicos fuertes. Sin embargo, pueden afectar de forma significativa las propiedades físicas de una sustancia una vez que se suman de forma neta. Por ejemplo, en las moléculas orgánicas a medida que una cadena de carbonos se hace más larga, también cambia el estado de la materia en la cual se presenta, de esta forma las cadenas muy cortas son gases, las medianas son líquidos y las muy largas son ceras o sólidos.

La investigación sobre las interacciones moleculares inició poco después de haberse propuesta la ley de los gases ideales, y era responder una pregunta simple, ¿Por qué los gases no se comportan idealmente? Uno de los presupuestos de la ley es que las partículas al impactar no se atraen o repelen, no interactúan entre sí, y el hecho de que los gases reales no se comporten idealmente implicaba necesariamente la idea de que al impactar algunas partículas se atraen y otras se repelen. Ya en el siglo XIX varios científicos de prestigio hicieron grandes avances en el entendimiento de dichas fuerzas como: Clairaut, Laplace, Gauss, Maxwell y Boltzmann. Las fuerzas intermoleculares atractivas se distinguen en dos categorías principales: las interacciones dipolo-dipolo; y fuerzas de van der Waals.

Figura 5‑1. Los puentes de hidrógeno son interacciones típicas entre dos moléculas con dos polos, en ese sentido los polos opuestos se atraen.

Interacciones dipolo-dipolo

Las interacciones dipolo-dipolo son atracciones electrostáticas entre dipolos permanentes en las moléculas. Debido a las geometrías moleculares las moléculas covalentes polares pueden experimentar un comportamiento semejante a un imán débil, y todo imán tiene dos polos, uno negativo y otro positivo, de allí surge el nombre dipolo.  En ese orden de ideas las interacciones entre dipolos no son diferentes a las interacciones que experimentarían dos imanes, y en consecuencia los polos opuestos se atraerán y los polos iguales se repelerán.

Iones-dipolo

Al interior de las interacciones dipolo-dipolo se encuentran las interacciones ion-dipolo las cuales no son muy diferentes en naturaleza, la única diferencia es que el ion se comporta como un monoimán o mejor dicho como un monopolo, pero debido a que su carga electrostática en ese polo es más fuerte atraerá con más potencia los polos opuestos de los dipolos que lo rodean.

Figura 5‑2. Los iones con carga permanente negativa pueden atraer los hidrógenos del agua, lo cual les permite diluirse con facilidad.

Puentes de hidrógeno

Los puentes de hidrogeno o enlaces de hidrógeno son una atracción de tipo dipolo-dipolo/ion-dipolo entre el hidrogeno unido a una molécula/ion contra el polo negativo de otra molécula o ión (los ejemplos anteriores también son puentes de hidrógeno ya que el extremo positivo del enlace débil es un hidrógeno). Típicamente el hidrogeno va a ser atraído contra elementos muy electronegativos que además hibridan dejando electrones no enlazantes que sin embargo generan una carga electrostática negativa como el nitrógeno, el oxígeno o el flúor. El puente de hidrogeno es comúnmente descrito como una atracción electrostática fuerte, tanto así que puede llegar a presentar características de enlace covalente al ser direccional, ser más fuerte de las interacciones de van der Walls e involucrar pocos puntos de unión. De hecho, el amoniaco posee un punto electrostático tan fuerte en forma de sus dos electrones no enlazantes que son capaces de unir un protón libre en el agua formando el ion amonio en lo que se conoce como enlace covalente coordinado.

Solubilidad de los dipolos y monopolos

Una de las propiedades físicas que más se afectan por la existencia de las interacciones de dipolos o monopolos es la solubilidad. Las sustancias polares son aquellas que exhiben algún tipo de polaridad ya sea dipolar o monopolar como en los iones.  El agua al tener mucho hidrógeno puede enlazar por puente de hidrogeno a cualquier molécula que exhiba interacciones polares integrándolas a una red de atracciones. Por el contrario, las moléculas que no pueden enlazarse por puente de hidrogeno son excluidas de la red de atracciones siendo en consecuencia insolubles en el agua.

Estado de la materia de los dipolos

Un dipolo es más difícil de separar de otros dipolos, eso implica que una molécula dipolar va a agruparse con sus compañeras, por lo que hay que calentarlas más para que ingresen a la fase líquida o sólida. Este detalle explica porque el agua es líquida y no un gas a la temperatura ambiente del planeta Tierra. Otras moléculas como el metano no son polares, no se unen entre si y por lo tanto no se unen espontáneamente.

Los dipolos y la vida

Las moléculas responsables por nuestra existencia, los ácidos nucleicos y las proteínas son capaces de entablar interacciones moleculares por puente de hidrogeno, las cuales fuerzan a la cadena a tomar formas complejas que les otorgan sus funciones vitales. En las proteínas por ejemplo, las interacciones dipolo-dipolo son responsables por la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria.

Interacciones de van der Waals

Figura 5‑3. Existen tres maneras de alterar a una molécula covalente, la primera es que un ion permanente lo induzca; la segunda es que una molécula con un polo negativo lo induzca; y la tercera a inestabilidades al azar debido a la indeterminación cuántica propia de los electrones.

Las interacciones de van der Waals también son electrostáticas, pero más débiles. La característica principal de la interacción de van der Waals es que una de las moléculas es apolar o no polar, pero aun así puede ser atraída o repelida por interacciones electrostáticas que se supone no debería tener, y por lo tanto son más débiles.

Algunas como la interacción de Debye se deben a que un dipolo permanente desestabiliza a una molécula apolar creando un dipolo inducido momentáneo que atrae o repele. En otros casos un ion puede desestabilizar a la molécula apolar fenómeno denominado como ión contra dipolo inducido. Sin embargo, las fuerzas dominantes son las interacciones de London, las cuales juegan con el principio de indeterminación de la quántica. Debido a la naturaleza aleatoria del movimiento de los electrones, existen leves momentos en los que la distribución electrónica en un enlace covalente perfecto no es perfecta, creando un breve momento dipolar y por lo tanto un leve momento de atracción-repulsión.

Aunque este momento de atracción es despreciable en moléculas pequeñas, a medida que las moléculas se hacen más largas la atracción de London se hace más importante. Esta es la interacción que hace que las moléculas orgánicas largas tiendan a ser sólidos y las moléculas cortas sean gases, ya que a mayor longitud la probabilidad de que en algún punto se genere un dipolo aleatorio momentáneo se incrementa.