LA POLARIDAD DE LAS MOLÉCULAS Y EL MOMENTO DIPOLAR

No sólo la electronegatividad desempeña un papel importante en el caracter polar o no polar de una molécula, sino también su geometría. En el caso del agua, los dos dipolos correspondientes a sus enlaces dan una suma no nula. El efecto de la polarización de un enlace puede representarse en términos de fuerzas. Componiendo vectorialmente ambas acciones dipolares resulta un efecto conjunto no nulo responsable de los fenómenos de hidratación anteriormente descritos.

Sin embargo, es posible que una molécula posea enlaces muy polarizados, pero que en conjunto se comporte como apolar. Tal es el caso del trifluoruro de boro (BF3). Su geometría es plana, estando los atomos de flúor situados en los vértices de un triangulo equilatero y el atomo de boro en su centro geométrico. La composición vectorial de los tres dipolos individuales da un efecto global nulo. La magnitud física que da idea de la polaridad de la molécula en su conjunto recibe el nombre de momento dipolar

Cuando dos atomos diferentes se unen, formando un enlace, se produce un leve desplazamiento de los electrones del enlace hacia el atomo mas electronegativo. La molecula adquiere un cierto grado de polarización quedepende de la diferencia de electronegatividad entre los atomos que forman el enlace.

FUERZAS INTERMOLECULARES

Las fuerzas intermoleculares, como su nombre lo indica, son las fuerzas que unen moleculas.

Interacciones Dipolo-Dipolo
En un enlace covalente entre dos atomos idénticos, los electrones enlazantes estan simétricamente distribuidos alrededor de ambos núcleos. Sin embargo, cuando los atomos unidos son diferentes, los electrones de valencia no estaran igualmente compartidos por los dos núcleos, la distribución de carga no sera homogénea y, en consecuencia apareceran en la molécula regiones con distinta densidad de carga o dipolos eléctricos.

Existen entre moléculas polares neutras. Las moléculas polares se atraen unas a otras cuando el extremo positivo de una molécula esta cerca del extremo negativo de otra.

La molécula de cloro (Cl-Cl) tiene una distribución simétrica de los electrones entre los dos atomos de cloro y se puede considerar que no tiene carga. Sin embargo, en la molécula de HCl no hay distribución uniforme de la carga, ya que los electrones de enlace, debido a la diferencia de las electronegatividades entre los dos atomos, estan desigualmente repartidos. Por tanto, la molécula de HCl es eléctricamente asimétrica o polar. De la misma forma, en la molécula de agua (H-O-H), tampoco hay una distribución uniforme de la nube de carga puesto que los electrones se encuentran atraídos fuertemente por el atomo de oxígenoque adquiere carga negativa, mientras que los dos atomos de hidrógeno adquieren igual carga positiva. Por consiguiente, dada la disposición de los atomos en la molécula de agua, el centro de las cargas positivas se encuentra en un extremo de la molécula y el centro de las negativas en el otro, constituyendo un dipolo.

Fuerzas de London

Las fuerzas de dispersión también se conocen como fuerzas de London o fuerzas de van der Waal. Los primeros científicos que investigaron la naturaleza de las interacciones no polares fueron Fritz London y Johannes van der Waal.

Las fuerzas de dispersión mantienen las moléculas en el estado sólido si estas moléculas son lo suficientemente grandes.

De las tres clases de fuerzas intermoleculares, las fuerzas de dispersión son las mas débiles. A diferencia de las otras dos, las fuerzas de dispersión existen en todas las moléculas pero en las polares pequeñas son tan débiles que estan totalmente opacadas por las fuerzas dipolares y los enlaces de hidrógeno.

Las fuerzas de dispersión son las fuerzas principales que atraen las moléculas no polares entre sí. Las moléculas no polares son aquellas que no tienen separación de carga dentro de las moléculas. Las fuerzas de dispersión también existen en los gases nobles que se pueden licuar.

Si no existe separación de carga dentro de una molécula, ¿cómo se pueden atraer las moléculas entre sí? Se conoce como un dipolo inducido instantaneo, cuando un atomoo molécula produce un dipolo momentaneo o instantaneo en otro atomo. Se puede pensar, que la fuerza de dispersión es una fuerza de atracción débil del núcleo de un atomo (o molécula) por los electrones de otro atomo cuando los dos atomos pasan cerca. La resistencia de estas fuerzas depende principalmente de cuantos electrones estén distribuidos alrededor del atomo y de qué tan unidos se mantengan. En los atomos y en las moléculas con gran número de electrones débilmente atraídos, se encuentran fuerzas de dispersión mas fuertes.

Ion-Dipolo

Se produce entre un ion y una carga parcial en el extremo de una molécula polar. Las moléculas polares son dipolos, tienen un extremo positivo y un extremo negativo. Por ejemplo la molécula de HCl.

La fuerza de esta interacción depende de la carga y tamaño del ion y de la magnitud del dipolo. Las cargas en los cationes estan generalmente mas concentradas, dado que los cationes suelen ser menores que los aniones. En consecuencia, a cargas iguales, un catión interactúa mas fuertemente con los dipolos que un anión.

La hidratación, es un ejemplo de interacción ion-dipolo. En una disolución acuosa de NaCl, los iones Na+ y Cl- se rodean de moléculas de agua, que tienen un dipolo grande. De esta forma las moléculas de agua actúan como un aislante eléctrico que mantiene a los iones separados. Este proceso explica lo que ocurre cuando un compuesto iónico se disuelve en agua. El tetracloruro de carbono(CCl4) es, por otro lado, una molécula no polar, y en consecuencia carece de la posibilidad de participar en la interacción ion-dipolo. Lo que se observa en la practica es que el tetracloruro de carbono es un mal disolvente de compuestos iónicos, como es el caso de la mayoría de los líquidos no polares.

Enlace de Hidrógeno

El enlace de hidrógeno es un tipo especial de interacción dipolo-dipolo entre el atomo de hidrógeno de un enlace polar, como el O-H o el N-H, y un atomo electronegativo como O, N o F.

La primera evidencia del enlace de hidrógeno proviene del estudio de los puntos de ebullición de los compuestos. Normalmente, los puntos de ebullición de una serie de compuestos similares formados por elementos del mismo grupo aumentan al incrementar la masa molar. Pero se notaron algunas excepciones en los compuestos de hidrógeno de los elementos de los grupos VA, VIA y VIIA. En cada una de estas series, el compuesto mas ligero (NH3, H2O, HF) tiene el punto de ebullición mas alto, contrariamente a lo esperado en función de las masas molares. Este estudio y otras observaciones relacionadas condujeron a los químicos a postular la existencia del enlace de hidrógeno.

Fuerzas electrostaticas

Los atomos que estan presentes en todos los cuerpos, estan compuestos de electrones, protones y neutrones.

Los tres tienen masa pero solamente el electrón y el protón tienen carga. El protón tiene carga positiva y el electrón tiene carga negativa.Si se colocan dos electrones (carga negativa los dos) a una distancia 'r', estos se repeleran con una fuerza 'F'.

Esta fuerza depende de la distancia 'r' entre los electrones y la carga de ambos. Esta fuerza 'F' es llamada Fuerza electrostatica.

Si en vez de utilizar electrones se utilizan protones, la fuerza sera también de repulsión pues las cargas son iguales. (positivas las dos)

La fuerza cambiara a atractiva, si en vez de poner dos elementos de carga igual, se ponen se cargas opuestas. (un electrón y un protón)

El que la fuerza electrostatica sea de atracción o de repulsión depende de los signos de las cargas
- cargas negativas frente a frente se repelen
- cargas positivas frente a frente se repelen

- carga positiva frente a carga negativa se atraen

- un electrón con un neutrón no generan ninguna fuerza
- un protón con un neutrón no generan ninguna fuerza

Acordarse que el neutrón es 'neutro', no tiene carga.

Conclusión
Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen

Nota: La carga de protón y del electrón son iguales pero de signo opuesto, pero la masa del protón es casi 2000 veces la masa del electrón.

La ley de Coulomb establece el valor de una fuerza electrostatica.

Esta fuerza depende de las cargas enfrentadas y de la  distancia que hay entre ellas.

El valor de la fuerza electrostatica viene dada por la fórmula:

Donde:
- F = fuerza electrostatica que actúa sobre cada carga Q1 y Q2
-k = constante que depende del sistema de unidades y del medio en el cual se encuentran las cargas
- r = distancia entre cargas
En el vacío y utilizando el sistema de unidades MKS, la constante k es:

Donde:

Entonces:

Con este valor de k, las cargas se expresan en coulombios, la distancia (r) en metros, para obtener una resultante de fuerza en Newtons.

- Si las cargas son de signo opuesto (+ y -), la fuerza 'F' sera negativa lo que indica atracción
- Si las cargas son del mismo signo (- y -   ó   + y +), la fuerza 'F' sera positiva lo que indica repulsión.

Nota: Sistema de unidades MKS (Metros, Kilogramos, Segundos

Fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas en reposo. La magnitud de esta fuerza es directamente proporcional al producto de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, según la ecuación

Según lo dicho mas arriba esta fuerza puede ser tanto de atracción como de repulsión. Es de caracter atractivo cuando ambas cargas son de signo opuesto, es decir, una carga positiva y una carga negativa. Si por el contrario ambas cargas son del mismo signo la fuerza es de tipo repulsivo. Este es el tipo de fuerzas que se originan, por ejemplo, en el núcleo del atomo, donde los protones estan virtualmente juntos. El motivo de que los protones no se vean repelidos con una fuerza aparentemente infinita es la existencia de otra fuerza, la llamada interacción nuclear fuerte.