Fuerzas intermoleculares: Estados de agregación de las sustancias

Hemos examinado las sustancias, hasta ahora, desde el punto de vista microscópico. Sin embargo, inmersos como estamos en el inmenso número de sustancias que conforman el mundo que nos rodea, nuestra percepción se enfoca más a sus propiedades macroscópicas tales como su densidad, color, propiedades mecánicas y eléctricas, etc. Sin embargo, resulta evidente que las propiedades macroscópicas deben estar gobernadas por la estructura y propiedades microscópicas de las sustancias. La comprensión de esto y de las principales características de los estados de agregación de las sustancias constituye el objetivo de este acápite.

Los estados de agregación desde el punto de vista cinético-molecular.

Las propiedades físicas de una sustancia dependen de su estado físico. El vapor de agua, el agua líquida y el hielo tienen las mismas propiedades químicas, pero sus propiedades físicas son bien diferentes. Como ya hemos visto, los enlaces covalentes determinan la geometría molecular, las energías de enlace y las propiedades químicas. Las fuerzas intermoleculares influyen en las propiedades físicas de los gases, líquidos y sólidos, que son los tres estados de agregación en que comunmente encontramos a las sustancias.

Si nos referimos a las sustancias con un enfoque cinético-molecular, tal como lo indica esta palabra, nos interesan como están dispuestas y como se mueven las partículas constitutivas de las sustancias que denominaremos como unidades moleculares y que abarcarán la menor unidad cosntitutiva (átomo, ión o molécula), que cosntituyan al gas, sólido o líquido. Recordemos que la energía cinética mantiene a las unidades moleculares en movimiento, alejándose unas de otras y depende de la temperatura. Las fuerzas intermoleculares tratarán de mantener unidas a las unidades moleculares. El estado físico de una sustancia dependerá del equilibrio que se establezca entre la energía cinética y las fuerzas intermoleculares.

Desde este punto de vista podríamos resumir las características de los estados de agregación como sigue (figura  1):

Figura 1. Los estados de agregación.

Gases

·      Un conjunto de unidades moleculares separadas por grandes distancias.

·      La energía cinética de las unidades moleculares es mucho mayor que cualquiera de las fuerzas de atracción entre las unidades moleculares y por tanto se presenta un gran desorden.

·      La falta de una fuerza de atracción significativa entre las unidades moleculares le permite a un gas expandirse hasta llenar el recipiente que lo contiene.

·      Si las fuerzas intermoleculares llegan a ser significativas, el gas exhibe un comportamiento no ideal.

Líquidos

·      Las fuerzas intermoleculares son suficientemente fuertes para mantener juntas a las unidades moleculares.

·      Sin embargo no son suficientemente fuertes para mantener a las unidades moleculares vecinas en una posición fija, por lo que se mueven y resbalan unas sobre otras. Por esto los líquidos asumen la forma del recipiente que los contiene.

·      Son más densos y menos compresibles que los gases.

·      Tienen un volumen determinado, independiente del tamaño y forma del recipiente que los contiene.

Sólidos

·      Las fuerzas intermoleculares son tan fuertes que mantienen a las unidades moleculares en posiciones fijas.

·      Las elevadas fuerzas entre las partículas que constituyen al sólido le confieren rigidez.

·      Son poco compresibles, debido a la falta de espacio entre las unidades moleculares.

·      Si las unidades moleculares en un sólido adoptan un ordenamiento de su empaque muy ordenado se denominan sólidos cristalinos.

Podemos entonces concluir que en los gases las fuerzas intermoleculares son más débiles que en los líquidos y en estos, a su vez, más débiles que en los sólidos. Como tanto en los líquidos como en los sólidos las partículas constituyentes están bien cercanas, se les denomina también “fases condensadas”.

Las interacciones entre las unidades estructurales.

Ya vimos las principales fuerzas intermoleculares. Cuanto mayor es la fuerza de atracción entre las unidades estructurales de las sustancias químicas, mayor energía será necesaria para separarlas. La siguiente secuencia des ilustrativa de la fortaleza relativa de las distintas interacciones vistas (cifras tomadas de la págia del Dr. Volland mencionada anteriormente): enlace covalente (~ 400 kcal) > enlace de hidrógeno (12-16 kcal) > interacciones dipolo-dipolo (2-0.5 kcal) > fuerzas de dispersión de London (menos de 1 kcal).

Para tener una idea de la fortaleza relativa de las interacciones vistas, resulta ilustrativa la siguiente tabla:

La mayoría de las sustancias van a presentar cierto grado de polaridad. En fases condensadas, estas sustancias van a estar unidas por una combinación de las fuerzas elcetrostáticas vinculadas con la existencia de dipolos permanentes o inducidos, incluyendo los que dan lugar a las fuerzas de dispersión. Al conjunto de estas fuerzas (que no incluyen las relacionadas con los iones), se le llama fuerzas de Van der Waals. Para la comprensión de las propiedades macroscópicas de muchas sustancias y sus ezclas, es importante conocer estas fuerzas. Pueden acceder a una interesante página sobre estas interacciones (ya referida con anterioridad).