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El enlace qumico
QUIMICA MDICA
2015
FILIAL NORTE
Cmo se combinan los tomos y cules son las fuerzas que los unen?.
Estos interrogantes son fundamentales en el estudio de la qumica, pues los cambios qumicos son esencialmente una alteracin de los enlaces qumicos.
Los tomos, molculas e iones , se unen entre s porque al hacerlo se llega a una situacin de mnima energa, lo que equivale a decir de mxima estabilidad. La estabilidad mxima se produce cuando un tomo es isoelectrnico con un gas noble.
Son los electrones ms externos, los tambin llamados electrones de valencia los responsables de esta unin, al igual que de la estequiometra y geometra de las sustancias qumicas.
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3Los enlaces qumicos son las fuerzas de atraccin que mantienen unidos a los
tomos en los compuestos.
Un enlace qumico es el proceso fsico responsable de las interacciones atractivas
entre tomos y molculas y que confiere
estabilidad a los compuestos qumicos
diatmicos y poliatmicos.La distancia a la que se colocan los tomos es a la que se desprende mayor energa producindose la mxima
estabilidad.
Los tomos se unen pues, porque as tienen una menor energa y mayor estabilidad que estando separados.
CONCEPTO DE ENLACE
4TIPOS DE FUERZAS ATRACTIVAS
Tipos de enlaces Los enlaces qumicos resultan de interacciones electrostticas y se
los clasifican en tres grandes grupos, enlace inico, enlace covalente y enlace metlico.
1) Enlace inico: resulta de las interacciones electrostticas entre iones de cargas opuestas.
2) Enlace covalente: es el resultado de compartir electrones entre dos tomos.
3) Enlace metlico: cada tomo est unido a varios tomos vecinos por electrones que son relativamente libres de moverse a travs de la estructura tridimensional.
Enlace inico
El enlace inico surge de las interacciones entre iones, que a menudo resulta de la transferencia neta de uno o ms electrones de un tomo o grupo de tomos a otro.
Un enlace inico es la fuerza de la atraccin electrosttica entre iones de carga opuesta.
Estos enlaces pueden ser bastante fuertes pero muchas sustancias inicas se separan fcilmente en agua, produciendo iones libres.
8Enlace inico
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Cuando los tomos reaccionan por transferencia
electrnica, el nmero de electrones ganados y
perdidos debe coincidir, el compuesto resultante
es neutro.
La formacin de un enlace inico es muy
frecuente cuando un elemento metlico con una
energa de ionizacin baja,(Los metales alcalinos y
alcalinotrreos : grupo IA o IIA) reacciona con un
elemento no metlico, de alta afinidad
electrnica. (halgenos y el oxigeno)
ION: tomo o grupo
de tomos cargados
elctricamente.
Prcticamente, hablaremos de enlaces inicos cuando en un compuesto existan elementos de alta electronegatividad (no metales del extremo derecho superior de la tabla peridica, excluyendo los gases nobles) y otros de baja electronegatividad (en general metales del extremo izquierdo), en otras palabras se trata de elementos cuya diferencia de electronegatividad (EN) es grande, en general, mayor de 1,7.
Formacin de un Cristal
Importancia de los iones en el organismo vivo
Los iones calcio (Ca2+), potasio (K+) y sodio (Na+) estn implicados todos en la produccin y propagacin del impulso nervioso.
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Na+
K+
Impulso
nervioso
En el interior de la neurona existen protenas e iones con carga negativa. Esta diferencia de concentracin de iones produce tambin una diferencia de potencial (unos -70 milivoltios) entre el exterior de la membrana y el interior celular. Esta variacin entre el exterior y el interior se alcanza por el funcionamiento de la bomba de sodio/potasio (Na+/K+)
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La bomba de Na+/K+ gasta
ATP. Expulsa tres iones de
sodio que se encontraban en
el interior de la neurona e
introduce dos iones de
potasio que se encontraban
en el exterior. Los iones sodio
no pueden volver a entrar en
la neurona, debido a que la
membrana es impermeable al
sodio.
Adems, el Ca2+ es necesario para la contraccin de los msculos y para el mantenimiento de un latido cardaco normal.
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Muchos iones constituyen un porcentaje nfimo del peso vivo, pero desempean papeles centrales.
El ion potasio (K+) es el principal ion con carga positiva en la mayora de los organismos, y en su presencia puede ocurrir la mayora de los procesos biolgicos esenciales.
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Cl (anin)
K+ (catin)
Enlace covalente
Un enlace covalente se forma cuando dos tomos comparten uno o ms pares de electrones.
El enlace covalente ocurre cuando la diferencia de electronegatividad de los tomos intervinientes, (EN) es menor a 1,7; esto ocurre cuando se unen no metales entre s o no metales con hidrgeno.
CLASIFICACIN
Los enlaces covalentes pueden clasificarse en :
I.- Enlace covalente propiamente dicho: 1) Enlace covalente simple 2) Enlace covalente mltiple (doble o triple)
II- Enlace covalente dativo o coordinado
III.- Enlaces covalentes polares y no polares
1) Enlace covalente simple:
El ejemplo ms simple de este tipo de situacin es la combinacin de dos tomos de H para formar una molcula de H2 .
Cada tomo de H necesita un electrn para ser isoelectrnico con el tomo de He, por lo que una transferencia de electrones no puede satisfacer los requerimientos de ambos tomos.
En vez de esto, los dos tomos de hidrgeno comparten mutuamente sus electrones.
El par compartido "pertenece" a ambos; se puede considerar que cada tomo de hidrgeno ha ganado un electrn y ha adquirido la estructura del helio.
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Los smbolos de Lewis se combinan en estructuras de Lewis,
o estructuras de puntos por electrones.
H HH H
HH
El par de electrones compartidos proporciona a cada tomo de H
dos electrones adquiriendo la configuracin electrnica externa
del gas noble helio.
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Una estructura de Lewis es la
representacin de un enlace covalente,
donde el par electrnico compartido se
indica con lneas o como pares de puntos
entre tomos, y los pares libres, no
compartidos se indican como pares de
puntos alrededor de los tomos
individuales. Solo se muestran los
electrones de valencia
Estructuras de Lewis
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REGLA DE OCTETO, formulada por Lewis:
Un tomo diferente del hidrogeno tiende a
formar enlaces, ganando, perdiendo o
compartiendo electrones, hasta quedar rodeado
por ocho electrones de valencia.
Un octeto significa tener cuatro pares de
electrones de valencia dispuestos alrededor del
tomo.
La regla del octeto funciona principalmente para
los elementos del segundo periodo de la tabla
peridica. Estos elementos tienen subniveles 2s y
2p que pueden contener un total de ocho
electrones.
REGLA DE OCTETO
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Ejemplo: molcula de H2O
Estructuras de Lewis
H-O-H HOH
o
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F F+
7e- 7e-
F F
8e- 8e-
F F
F F
Estructura de Lewis del F2
pares librespares libres
pares librespares libres
enlace covalente sencillo
enlace covalente sencillo
EJEMPLOS
Molculas tipo NO y NO2 que tienen un
nmero impar de electrones.
Molculas tipo BeCl2 o BF3 con
marcado carcter covalente en las
cuales el tomo de Be o de B no llegan
a tener 8 electrones.
Molculas tipo PCl5 o SF6 en las que el
tomo central tiene 5 o 6 enlaces (10 o
12 e ).
Excepciones a la teora de Lewis
2) Enlaces covalentes mltiples Para satisfacer la regla del octeto y sus requerimientos de covalencia, es
frecuente que dos tomos tengan que compartir ms de un par de electrones.
Esto conduce al concepto de enlaces mltiples. Si los pares compartidos son dos, se obtiene un enlace doble; si son tres es un enlace triple.
Por ejemplo:
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8e-
H HO+ + OH H O HHor
2e- 2e-
Estructura de Lewis del agua
Doble enlace: dos tomos comparten dos pares de electrones
enlace covalente sencillo
O C O o O C O
8e- 8e-8e-enlace doble
enlace doble
Triple enlace: dos tomos comparten tres pares de electrones
N N
8e-8e-N N
enlace tripleenlace triple
o
Enlace covalente dativo o coordinado
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Enlaces covalentes coordinados o dativos
Enlace coordinados
Las molculas neutras o iones negativos se denominan ligandos y forman enlaces con el metal a travs de sus pares de electrones libres; estos enlaces son covalentes de tipo dativo (aqullos en los que los dos electrones del enlace provienen de uno slo de los tomos implicados en el enlace). En los compuestos de coordinacin, el metal suele ser un metal de transicin .Ej.de estos compuestos son los quelatos.
Quelatos
Quelato es un trmino muy sencillo que se refiere a la formacin de anillos que incluyen al centro metlico en compuestos de coordinacin.
La quelatacin es la habilidad de un compuesto qumico
para formar una estructura en anillo con un ion metlico
resultando en un compuesto con propiedades qumicas
diferentes a las del metal original. (El quelante impide que el metal siga sus reacciones qumicas normales).
08/04/201532
EDTA
Las tetraciclinas tienen la capacidad de de formar quelatos insolubles en
medio neutro
III.- Enlaces covalentes polares y no polares
Otra manera de clasificar los enlaces covalentes es segn su polaridad.
a) Enlace covalente apolar o no polar
Entre tomos idnticos o diferentes pero de igual electronegatividad EN=0, los electrones se comparten de igual forma por ambos. A este tipo de enlace se lo denomina enlace covalente apolar.
Podemos citar los ejemplos del Hidrgeno (visto en enlace covalente simple) .oxgeno (enlace covalente doble), Nitrgeno (enlace covalente triple) o PH3 ( 3 enlaces simples).
b) Enlace covalente polar
En cambio, si los dos tomos enlazados difieren como en el caso del H:Cl, o son idnticos, pero sus vecinos no lo son, como en el caso de los dos tomos de C en H3C CCl3 , los electrones no se comparten por igual: uno de los tomos (el ms electronegativo) atrae electrones con ms fuerza que el otro.
El tomo que ejerce la mayor atraccin desarrolla una cierta carga negativa; el otro adquiere una cierta carga positiva. Estas cargas son inferiores a la unidad, -1 o +1 y se llaman cargas parciales,
representadas como + y -.
As, dado que el cloro es ms electronegativo que el hidrgeno, el cloruro de hidrgeno se representa:
+ -
..
H Cl :
..
H F
Otro ejemplo:
FH
e- pobre e- rica
+ -
Se forma, entonces, un dipolo (las dos cargas elctricas (+ y -) en
una distancia muy pequea) y la molcula recibe el nombre de
"polar".
GeneralizacinEntre ms grande es la diferencia en electronegatividad
entre dos tomos; ms polar es el enlace.
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Los enlaces polares conectan
tomos
de diferente electronegatividad
:O C-F
:..
..H -
O..
..H
-
H O:.. ..
-
Ejemplos deenlace covalente polar.
:Cl + x H :Cl x H ; :ClH HCl
O + 2 x H Hx O x H ; HOH H2O
N + 3 x H Hx N x H ; HNH NH3 x |
H H
O + 2 x Cl: :Clx O x Cl: ; :ClOCl: Cl2O
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+
+
+
+
+
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Covalente
comparte e-
Covalente polar
transferencia parcial
de e-
Inico
transferencia e-
Aumento en la diferencia de electronegatividad
Clasificacin de enlaces por diferencia en electronegatividad
Diferencia Tipo de enlace
0 0,4 Covalente
1,7 Inico
>0,4 y
Electronegatividad
Un elemento electronegativo atrae electrones.
Un elemento electropositivo libera electrones.
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La electronegatividad es una medida de la
habilidad de un elemento de atraer electrones
cuando esta enlazado a otro elemento.
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Electronegatividad de los elementos comunes
Aumento de electronegatividad
Covalente
comparte e-
Covalente polar
transferencia parcial de e-
Inico
transferencia e-
Aumento en la diferencia de electronegatividad
0 > 0.4 < 1.7 > Inico
Cov. No-polar Cov. polar
Clasificacin de enlaces
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Cov. puro
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Clasifique los enlaces siguientes como inico, covalente
polar, o covalente: El enlace en CsCl; el enlace
en H2S y los enlaces en H2NNH2.
Cs 0.7 Cl 3.0 3.0 0.7 = 2.3 Inico
H 2.1 S 2.5 2.5 2.1 = 0.4 Covalente polar
N 3.0 N 3.0 3.0 3.0 = 0 Covalente
ENK= 0,9ENBr= 2,8EN= 1,9
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COMPUESTOS INICOS
1. Son slidos con punto de fusin
altos (por lo general, > 400C)
2. Muchos son solubles en
disolventes polares, como el
agua..
3. La mayora es insoluble en
disolventes no polares, como el
hexano C6H14.
4. Los compuestos fundidos
conducen bien la electricidad
porque contienen partculas
mviles con carga (iones)
5. Las soluciones acuosas
conducen bien la electricidad
porque contienen partculas
mviles con carga (iones).
COMPUESTOS COVALENTES
1. Son gases, lquidos o slidos
con punto de fusin bajos (por
lo general, < 300C)
2. Muchos de ellos son insolubles
en disolventes polares.
3. La mayora es soluble en
disolventes no polares, como el
hexano C6H14.
4. Los compuestos lquidos o
fundidos no conducen la
electricidad.
5. Las soluciones acuosas suelen
ser malas conductoras de la
electricidad porque no
contienen partculas con carga.
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ENLACE METLICO
Las propiedades de los metales: alta conductividad trmica y elctrica, brillo, maleabilidad, ductilidad, son consecuencia del enlace metlico que se da entre sus tomos.
Modelo del Mar de Electrones
En este modelo, el slido metlico se representa como un conjunto de cationes metlicos en un mar de electrones de valencia.Los cationes (formados por el ncleo del tomo y los electrones que no participan del enlace) se encuentran en posiciones fijas, los electrones de valencia se mueven entre ellos deslocalizadamente es decir por todo el cristal metlico, sin pertenecer a ningn tomo en particular (estn distribuidos de manera uniforme en toda la estructura).
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Modelo del Mar de Electrones
Caractersticas del enlace metlico
Se da entre tomos metlicos.
Todos tienden a ceder e .
Los cationes forman una estructura cristalina, y los e ocupan los intersticios que quedan libres en ella sin estar fijados a ningn catin concreto (mar de e ).
Los e estn, pues bastante libres, pero estabilizan la estructura al tener carga contraria a los cationes.
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Propiedades de los compuestos metlicos.
Punto de fusin y ebullicin muy variado (aunque suelen ser ms bien alto)
Insolubles, pero son muy solubles solo en estado fundido en otros metales formando aleaciones.
Muy buenos conductores del calor y la electricidad en estado slido.
Son dctiles y maleables (no frgiles).
Alta densidad.
Insolubles.
Tienen brillo metlico.
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presin
FUERZAS INTERMOLECULARES Dentro de una molcula, los tomos estn unidos mediante fuerzas intramoleculares (enlaces inicos, metlicos o covalentes, principalmente). Estas son las fuerzas que se deben vencer para que se produzca un cambio qumico. Son estas fuerzas, por tanto, las que determinan las propiedades qumicas de las sustancias.
Sin embargo existen otras fuerzas intermoleculares que actan sobre distintas molculas o iones y que hacen que stos se atraigan o se repelan. Estas fuerzas son las que determinan las propiedades fsicas de las sustancias como, por ejemplo, el estado de agregacin, el punto de fusin y de ebullicin, la solubilidad, la tensin superficial, la densidad, etc. Por lo general son fuerzas dbiles pero, al ser muy numerosas, su contribucin es importante.
FUERZAS ELECTROSTTICAS (IN-IN)
Son las que se establecen entre iones de igual o distinta carga:
Los iones con cargas de signo opuesto se atraen
Los iones con cargas del mismo signo se repelen
La magnitud de la fuerza electrosttica viene definida por la ley de Coulomb y es directamente proporcional a la magnitud de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa
Con frecuencia, este tipo de interaccin recibe el nombre de puente salino.
Son frecuentes entre una enzima y su sustrato, entre los aminocidos de una protena o entre los cidos nucleicos y las protenas (Figuras inferiores).
Los aminocidos cargados de una
protena pueden establecer enlaces
inicos (puentes salinos) dentro de una
protena o entre protenas distintas
Las cargas positivas de la protena (en azul) se disponen en torno a la hlice del DNA cargada negativamente
La unin de una enzima a su sustrato puede estar gobernada por interacciones electrostticas, como en el caso de la Ribulosa-bifosfato-carboxilasa
FUERZAS IN-DIPOLO
Son las que se establecen entre un in y una molcula polar.
Por ejemplo, el NaCl se disuelve en agua por la atraccin que existe entre los iones Na+ y Cl- y los correspondientes polos con carga opuesta de la molcula de agua. Esta solvatacin de los iones es capaz de vencer las fuerzas que los mantienen juntos en el estado slido .
La capa de agua de hidratacin que se forma en torno a ciertas protenas y que resulta tan importante para su funcin tambin se forma gracias a estas interacciones
FUERZAS IN-DIPOLO INDUCIDO
Tienen lugar entre un in y una molcula apolar. La proximidad del in provoca una distorsin en la nube electrnica de la molcula apolar que convierte (de modo transitorio) en una molcula polarizada. En este momento se produce una atraccin entre el in y la molcula polarizada.
Un ejemplo de esta interaccin es la interaccin entre el in Fe++ de la hemoglobina y la molcula de O2, que es apolar.
Esta interaccin es la que permite la unin reversible del O2 a la hemoglobina y el transporte de O2 desde los pulmones hacia los tejidos (ver tabla inferior).
: Fuerzas in - dipolo inducido
Un ion puede alterar la densidad electrnica de un tomo
o una molcula no polar que se encuentra en su cercana.
La distribucin electrnica del tomo se distorsiona por la
atraccin ejercida, si el in es positivo o por la repulsin
ejercida, si el in es negativo, resultando la formacin de
un dipolo inducido
INTERACCIONES HIDROFBICAS
En un medio acuoso, las molculas hidrofbicas tienden a asociarse por el simple hecho de que evitan interaccionar con el agua. Lo hace por razones termodinmicas: las molculas hidrofbicas se asocian para inimizar el nmero de molculas de agua que puedan estar en contacto con las molculas hidrofbicas
En medio acuoso, cada molcula de lpido obliga a las molculas de
agua vecinas a adoptar estados ms ordenados (las que estn
sombreadas de color azul)
Este fenmeno se denomina efecto hidrofbico y es el responsable de que determinados lpidos formen agregados supramoleculares. Son ejemplos de fuerzas hidrofbicas:
las que se establecen entre los fosfolpidos que forman las membranas celulares (forman bicapas)
las que se establecen en el interior de una micela durante
la digestin de los lpidos
las que hacen que los aminocidos hidrofbicos se apien
en el interior de las protenas globulares
FUERZAS DE VAN DER WAALS
Cuando se encuentran a una distancia moderada, las molculas se atraen entre s pero, cuando sus nubes electrnicas empiezan a solaparse, las molculas se repelen con fuerza.
El trmino "fuerzas de van der Waals" engloba colectivamente a las fuerzas de atraccin entre las molculas.
Son fuerzas de atraccin dbiles que se establecen entre molculas elctricamente neutras (tanto polares como no polares), pero son muy numerosas y desempean un papel fundamental en multitud de procesos biolgicos.
Las fuerzas de van der Waals incluyen:
Fuerzas dipolo-dipolo (tambin llamadas fuerzas de Keesom), entre las que se incluyen los puentes de hidrgeno
Fuerzas dipolo-dipolo inducido (tambin llamadas fuerzas de Debye)
Fuerzas dipolo instantneo-dipolo inducido(tambin llamadas fuerzas de dispersin o fuerzas de London)
FUERZAS DIPOLO-DIPOLO
Una molcula es un dipolo cuando existe una distribucin asimtrica de los electrones debido a que la molcula est formada por tomos de distinta electronegatividad. Como consecuencia de ello, los electrones se encuentran preferentemente en las proximidades del tomo ms electronegativo. Se crean as dos regiones (o polos) en la molcula, una con carga parcial negativa y otra con carga parcial positiva
Los enlaces sern tanto ms polares cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los tomos enlazados.
Un ejemplo particularmente interesante de las
interacciones dipolo-dipolo son los puentes de
hidrgeno.
PUENTES DE HIDRGENO Los puentes de hidrgeno constituyen un caso especial de interaccin
dipolo-dipolo .
Se producen cuando un tomo de hidrgeno est unido covalentemente a un elemento que sea: muy electronegativo y con electrones sin compartir
de muy pequeo tamao y capaz, por tanto, de aproximarse al ncleo del hidrgeno
Estas condiciones se cumplen en el
caso de los tomos de F, O y N.
El enlace que forman con el
hidrgeno es muy polar y el tomo
de hidrgeno es un centro de
cargas positivas que ser atrado
hacia los pares de electrones sin
compartir de los tomos
electronegativos de otras
molculas.
Se trata de un enlace dbil (entre 2
y 10 Kcal/mol). Sin embargo, como
son muy abundantes, su
contribucin a la cohesin entre
biomolculas es grande.
Muchas de las propiedades fsicas y qumicas del agua
se deben a los puentes de hidrgeno. Cada molcula
de agua es capaz de dormar 4 puentes de hidrgeno,
lo que explica su elevado punto de abullicin, ya que es
necesario romper gran cantidad de puentes de
hidrgeno para que una molcula de agua pase al
estado gaseoso.
Este enlace es fundamental en bioqumica, ya que:
condiciona en gran medida la estructura espacial de las protenas y
de los cidos nucleicos y
est presente en gran parte de las interacciones que tienen lugar entre
distintos tipos de biomolculas en multitud de procesos
fundamentales para los seres vivos
Enlaces de H en biomolculas
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Enlaces de H en macromolculas
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Estructuras terciarias y cuaternarias de las protenas
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En el plegamiento secundario de las cadenas polipeptdicas(estructura terciaria) y en el ensamblaje de las subunidades (estructura cuaternaria) los puentes hidrgeno tienen un papel determinante.
Estructura cuaternaria de la
hemoglobina en modelo de cintas
EL PUENTE DE HIDRGENO Y LOS ESTADOS DE AGREGACIN
De acuerdo al estado de agregacin las molculas de agua se unen entre s de diferentes formas, en todos los casos mediante uniones puente de hidrgeno
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FUERZAS DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO
Tienen lugar entre una molcula polar y una molcula apolar. En este caso, la carga de una molcula polar provoca una distorsin en la nube electrnica de la molcula apolar y la convierte, de modo transitorio, en un dipolo. En este momento se establece una fuerza de atraccin entre las molculas.
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Gracias a esta interaccin, gases
apolares como el O2, el N2 o el CO2 se
pueden disolver en agua.
FUERZAS DIPOLO INSTANTNEO-DIPOLO INDUCIDO
Tambin se llaman fuerzas de dispersin o fuerzas de London. En muchos textos, se identifican con las fuerzas de van der Waals, lo que puede generar cierta confusin.
Las fuerzas de dispersin son fuerzas atractivas dbiles que se establecen fundamentalmente entre sustancias no polares, aunque tambin estn presentes en las sustancias polares. Se deben a las irregularidades que se producen en la nube electrnica de los tomos de las molculas por efecto de la proximidad mutua. La formacin de un dipolo instantneo en una molcula origina la formacin de un dipolo inducido en una molcula vecina de manera que se origina una dbil fuerza de atraccin entre las dos
aMolcula apolar
Dipolo instantneo Molcula apolar
Dipolo instantneo Dipolo inducido
Dipolo instantneo Dipolo inducido
Estas fuerzas son mayores
al aumentar el tamao y la
asimetra de las
molculas. Son mnimas en
los gases nobles (He, Ne),
algo mayores en los gases
diatmicos (H2, N2, O2) y
mayores an en los gases
poliatmicos (O3, CO2).