CONCLUSION
BIBLIOGRAPHY
Las moléculas experimentan interacciones a distancia. Las fuerzas que dan lugar a estas interacciones pueden agruparse en dos grandes tipos, resultantes de las fuerzas atractivas y repulsivas.
La energía potencial puede entenderse de una manera adecuada trabajando sobre pares de moléculas. El potencial que describe estas interacciones entre partículas sin carga, que se emplea con frecuencia en problemas de interés fisicoquímico, es el propuesto por Lennard-Jones (1894-1954) físico británico quien realizara contribuciones importantes al campo de la estructura molecular. Existen distintas formas en las que pares de moléculas pueden acoplarse por interacciones a distancia.
Estos potenciales dependen de la distancia r entre los centros de masas de las moléculas y de sus orientaciones relativas. Entre los tipos de potenciales mencionaremos
Potencial de Coulomb, que resulta de las interacciones entre pares de iones
y depende de la inversa de la distancia de separación entre las partículas.
Potencial entre partículas cargadas y dipolos permanentes. Este tipo de
interacción puede presentarse tanto en fase gaseosa como en fase condensada. Un ejemplo de interés en el estudio de soluciones acuosas es la interacción entre iones y moléculas de agua. Este tipo de interacción depende de la inversa al cuadrado de la distancia de separación y de la orientación relativa del dipolo y del ion.
Potencial de interacción entre dipolos. Este tipo de interacción se puede
presentar en todas las fases. Ejemplo de este tipo de interacción se presenta en moléculas, que como las de agua, amoníaco, dióxido de azufre entre otras, presentan momento dipolar permanente. Depende de la inversa de la distancia al cubo.
Potencial de interacción “multipolar”. Este tipo de interacción ocurre cuando
es posible una polarización de las distribuciones de carga dentro de cada molécula, y resulta de interés en el estudio de soluciones iónicas altamente concentradas.
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Potencial de interacción entre moléculas resultantes de la generación de
dipolos inducidos. Este tipo de interacción es el que interesa en muchos de los sistemas moleculares. El mismo está asociado con las fuerzas de van der Waals y, en su contribución atractiva, depende de la inversa de la distancia a la sexta potencia. Este tipo de interacción está presente en el potencial de Lennard-Jones.
Todas estas fuerzas atractivas se caracterizan por operar a distancias que pueden variar desde algunos diámetros moleculares hasta varias decenas de diámetros moleculares. Las fuerzas de Coulomb se extienden a varios cientos de diámetros moleculares, mientras que en el otro extremo, las fuerzas de van der Waals se vuelven relevantes a distancias de pocos diámetros moleculares.
El potencial de atracción atractivo en el potencial de Lennard-Jones está estrechamente relacionado con las hipótesis realizadas por Van der Waals en sus contribuciones de la segunda mitad del siglo XIX.
Por el contrario, las fuerzas repulsivas, actúan y son relevantes a distancias del orden del tamaño molecular. Esta distancia es del orden de 100-500 10-12 m =
100-500 pm = 1 – 5 Å para muchas sustancias representativas.
Las condiciones de movimiento caótico, tal como pueden operar en un sistema gaseoso en equilibrio están estrechamente relacionadas con la existencia de choques entre las partículas.
Las fuerzas de atracción son funciones inversas de la distancia de separación (r) entre las partículas. Para partículas no cargadas y sin momentos dipolares permanentes, el potencial (φ) de Lennard-Jones representa muy bien el comportamiento de estas interacciones (Ec. 1.1):
n r B r A + − = 6
φ
con n = 9 ó 12 1.1 La constante A depende fuertemente de la facilidad de polarizar la distribución de carga de una molécula o átomo en un campo externo (en este caso el creado por una segunda molécula). El comportamiento gráfico de este tipo de potencial se representa en la Fig. 1.2.24
Fig. 1.2: Comportamiento del potencial de interacción intermolecular atractivo (-A/r6), repulsivo
(B/rm) y el de Lennard-Jones (Φ)
Actualmente se cuenta con técnicas de estudio que permiten medir fuerzas del orden de las que operan entre pares de partículas. Estos métodos tienen aplicaciones en el campo de las ciencias de los materiales y biológicas.
Así por ejemplo, se ha desarrollado un microscopio de fuerza atómica (AFM) que mide las fuerzas de van der Waals (del orden de los 10-12 Newtons = 1
piconewton) a distancias del nanómetro que es adecuado para el estudio de imágenes de ADN y para caracterizar, por ejemplo, interacciones específicas proteína/DNA. En la figura siguiente se muestra una molécula de DNA conformada por 50.000 pares de bases unidas a seis moléculas de la enzima de restricción EcoRI obtenidas con esta herramienta (Fig. 1.3).
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Estas fuerzas pueden medirse y emplearse para el estudio de superficies (Fig. 1.4) con resolución nanométrica:
Fig. 1.4: Representación esquemática de un microscopio de fuerza atómica (AFM) en
operación (a) La generación de un “enlace químico entre el átomo del puntero y átomos sobre la superficie, da lugar a contrastes atómicos (b) El puntero experimenta fuerzas de van der Waals y de carácter electrostático resultantes de la interacción (c) Las curvas se obtienen de la expresión analítica de las fuerzas de van der Waals y las fuerzas de corto alcance. (d)-(e) Las imágenes topográficas muestran hileras de Sn (d) y de Pb (e) en desarrollo sobre una superficie de Si(111) Dimensiones: (4.3x4.3) nm2; Referencia: Yoshiaki Sugimoto, Pablo Pou, Masayuki Abe, Pavel Jelinek, Rubén Pérez, Seizo Morita1 & Óscar Custance, Nature, 446
(2007) 64-67.
1.6 Estados de agregación. Concepto de fase y de ecuaciones de estado