1.12 : Fuerzas intermoleculares y propiedades físicas.

Las fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción que existen entre moléculas. Dictan varias propiedades generales, como los puntos de fusión, los puntos de ebullición y la solubilidad (miscibilidad) de las sustancias. Por ejemplo, un líquido con un alto punto de ebullición, como el agua (H₂O, p.e. 100 °C), exhibe fuerzas intermoleculares más fuertes en comparación con un líquido con bajo punto de ebullición, como el hexano (C₆H₁₄, p.e. 68,73 °C). Los tres tipos de interacciones intermoleculares incluyen 1) fuerzas ion-dipolo, 2) interacciones dipolo-dipolo y 3) fuerzas de van der Waals, que incluyen las fuerzas de dispersión de London.

1. Fuerzas ion-dipolo

Las fuerzas ion-dipolo son las atracciones electrostáticas entre un ion y un dipolo. Son comunes en soluciones y desempeñan un papel importante en la disolución de compuestos iónicos, como el KCl, en agua. La fuerza de las interacciones ion-dipolo es directamente proporcional a la carga del ion y a la magnitud del dipolo de las moléculas polares.

2. Interacciones dipolo-dipolo

Las moléculas polares tienen una carga parcial positiva en un extremo y una carga parcial negativa en el otro extremo de la molécula, una separación de carga llamada dipolo. La fuerza de atracción entre dos dipolos permanentes se llama atracción dipolo-dipolo: la fuerza electrostática entre el extremo parcialmente positivo de una molécula polar y el extremo parcialmente negativo de otra. El enlace de hidrógeno es un tipo de interacción dipolo-dipolo entre moléculas con hidrógeno, unidas a un átomo altamente electronegativo, como O, N o F. El átomo de H resultante parcialmente cargado positivamente en una molécula (el donante del enlace de hidrógeno) podría interactuar fuertemente con un par solitario de electrones de un átomo de O, N o F parcialmente cargado negativamente en moléculas adyacentes (el aceptor de enlaces de hidrógeno). Los enlaces de hidrógeno aumentan considerablemente el punto de ebullición.

3. Van der Waals y las fuerzas de dispersión de London

Las más débiles de todas las fuerzas son las fuerzas de van der Waals, que dependen de las distancias intermoleculares entre átomos y moléculas. Las fuerzas de dispersión de London, un subconjunto de las fuerzas de van der Waals, se experimentan como resultado de interacciones entre átomos/moléculas sin carga debido a cambios temporales y espontáneos en la distribución de electrones. La intensidad de estas fuerzas parece aumentar al aumentar el peso molecular debido al aumento del área superficial. Como resultado, los compuestos de pesos moleculares más altos generalmente hervirán a temperaturas más altas. Es de destacar que un hidrocarburo ramificado (neopentano) normalmente tiene una superficie más pequeña que su respectivo isómero de cadena lineal (n-pentano) y, por lo tanto, un punto de ebullición más bajo.

4. Solubilidad de compuestos orgánicos en agua.

Se dice que son miscibles los líquidos que pueden mezclarse homogéneamente en cualquier proporción. Los líquidos miscibles tienen polaridades similares. Por ejemplo, el metanol y el agua son polares y capaces de formar enlaces de hidrógeno. Al mezclarse, el metanol y el agua interactúan a través de enlaces de hidrógeno intermoleculares de fuerza comparable a las interacciones metanol-metanol y agua-agua; por tanto, son miscibles. Asimismo, los líquidos no polares como el hexano y el bromo son miscibles entre sí mediante fuerzas de dispersión. El axioma químico “lo semejante disuelve lo semejante” es útil para predecir la miscibilidad de compuestos. Dos líquidos que no se mezclan en medida apreciable se denominan inmiscibles. Por ejemplo, el hexano no polar es inmiscible en agua polar. Las fuerzas de atracción relativamente débiles entre el hexano y el agua no superan adecuadamente las fuerzas de enlace de hidrógeno más fuertes entre las moléculas de agua.