Ver lo que no se puede ver II: Microscopio de fuerzas atómicas (AFM) y microscopio de efecto túnel (STM)

Hoy acabamos estos blog sobre lo que no se puede ver con dos microscopios de escala atómica. Veremos dos microscopios menos conocidos pero probablemente con más resolución que los microscopios electrónicos, los que mucha gente supone que son los más potentes. Vamos con ellos...

Microscopio de fuerzas atómicas (AFM)

El microscopio de fuerzas atómicas (Atomic Forces Microscope, AFM, por sus siglas en inglés) es un microscopio basado en pasar una punta muy fina (de uno o pocos átomos de anchura) sobre un material y registrar, mediante el movimiento de un fleje o voladizo acoplado a la punta, su altura, teniendo una sensibilidad en la altura menor a la de un átomo, pudiendo mapear una superficie para ver si estructura superficial.

En la parte posterior de la punta lleva un espejo que refleja un láser, que por reflexión cambia la trayectoria del láser reflejado, impactando en diferentes fotodiodos, significando una altura diferente cada uno de ellos. Os dejo un pequeño esquema:

Esquema de un AFM

Este microscopio tiene la ventaja de que puede rastrear cualquier superficie, no siendo necesario que sea conductora (como por ejemplo en la microscopía electrónica). La principal limitación que tiene esta técnica es que la resolución máxima la marca la punta. Puntas menos "afiladas" darán resoluciones peores mientras que puntas muy afiladas, en teoría de un átomo de grosor, daría resoluciones atómicas en la altura.

Las puntas de AFM pueden ser funcionalizadas para cambiar su respuesta frente a ciertos grupos funcionales, metales o cualquier otra interacción. Esto puede hacer que sea más sensible a ciertas estructuras o hacerlo invisible a otras, dependiendo del interés del operador.

A continuación os dejo algunas imágenes obtenidas por AFM, podéis buscar más por Internet que, por cuestión de derechos legales, no puedo poner aquí:

Microscopio de efecto túnel (STM)

El microscopio de efecto túnel (Scanning Tunneling Microscope, en inglés) es un microscopio que utiliza un curioso efecto cuántico, el efecto túnel, para tomar imágenes de superficies conductoras. El efecto túnel consiste en que una partícula cuántica atraviese una barrera que tiene mucha más energía que la partícula. El equivalente en el mundo macroscópico es atravesar una pared con una pelota de fútbol, es decir, que el balón atraviese la pared sin romperla ni romper el balón y sin ningún agujero en ella.

El STM funciona haciendo pasar una punta conductora sobre el material, haciendo que pase una pequeña corriente por efecto túnel (recordemos que el aire es un aislante y que harían falta potenciales mucho más grandes de los usados en STM para romper el dieléctrico del aire). Se puede medir en STM de diferentes modos: Uno de ellos registra la señal como la intensidad de corriente que pasa mientras que otro eleva la punta con ayuda de un piezoeléctrico hasta que la intensidad permanece constante.

La principal desventaja es que el material a examinar debe ser conductor, no pudiéndose metalizar como en el caso de las microscopías. Además los tiempos de análisis son largos, también para AFM.

Lámina de oro por STM

Hasta aquí el post de esta semana. Espero que hayas aprendido que hay otras maneras de ver lo que no se ve y no sólo con la ayuda de un microscopio, sino con otras técnicas avanzadas.

Nos vemos en el próximo post!!

¿Qué es la PCR?

En el post de esta semana vamos a hablar sobre la técnica que más está en boca de todo el mundo, la PCR. Por desgracia, hasta el desarrollo de los "kits rápidos" para la detección del coronavirus ha sido la única técnica capaz de detectar la presencia del virus y su variabilidad genética. Por ello, los kits de PCR se agotan y se han puesto a robots a hacer los análisis. ¿Qué ventajas ofrece? ¿Por qué es tan sensible y robusta? Vamos a verlo...

¿Qué es la PCR?

Las siglas PCR significan "Polimerase Chain Reaction" (Reacción en cadena de la polimerasa) y no "Proteína C Reactiva" como se ha comentado en alguna rueda de prensa. La PCR se basa en replicar un número muy grande de veces una cadena de ADN obtenida, de manera que se obtienen miles o millones de copias de una sola cadena de ADN. Esto permite detectar con una sensibilidad mucho mayor una secuencia concreta de ADN presente en una muestra.

Si somos rigurosos, en esta pandemia no se ha empleado la PCR como tal, sino una variante, la RT-PCR. Estas RT que se ponen delante implican un paso previo de Transcripción Inversa (Reverse Transcription en inglés), que implica un paso previo al proceso de la PCR. El coronavirus no posee ADN, sino ARN, que inyecta para infectar las células. Este ARN es más frágil y más reactivo que el ADN aunque su estructa es muy similar, por eso se transcribe la secuencia de ARN a ADN para poder replicarla.

¿Qué se necesita para una PCR?

Después de tomar la muestra, es necesario extraer el ADN (o ARN) del interior de las células por lo que se utilizan surfactantes para poder disolver la pared celular. Una vez aislado y precipitado el ADN (o ARN en el caso de los virus) se añade una disolución, normalmente de un kit, donde ya vienen todos los componentes necesarios para realizar la PCR. En estos kits se incluyen las polimerasas, las bases nucleicas trifosfato, cebadores (cadenas que inician la reacción), sales de magnesio y potasio (cofactores para la polimerización) y un tampón que regula el pH de la reacción para que se pueda llevar a cabo. Todos estos componentes en un volumen entre 15-100 µl se introducen en un eppendorf.

Tras esto se lleva a cabo la multiplicación del ADN. Para ello, es necesario un termociclador, un aparato que calienta y enfría en ciclos la muestra. Estos cambios de temperatura son debidos a las distintas etapas de las que consta una PCR. En una PCR normal se realizan entre 20 a 35 ciclos; cada ciclo suele consistir en 2-3 pasos a diferentes temperaturas. Un termociclador normal puede realizar los ciclos en casi un centenar de muestras simultáneamente.

Termociclador MasterCycler Pro S
Fuente: Wikipedia; GFJ / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

La polimerasa que se usa actualmente es una polimerasa de un organismo termófilo, que puede funcionar a temperaturas muy altas, permitiendo acortar el tiempo de cada ciclo al no necesitar que se enfríe para realizar la polimerización. La polimerasa más empleada es la polimerasa Taq.

Finalmente, hay que poder analizar los fragmentos multiplicados. Usualmente se usaban geles de agarosa o acrilamida para realizar electroforesis en gel pero actualmente lo más utilizado es la electroforesis capilar. Para que se puedan identificar en la electroforesis capilar hay 2 opciones principales: la adición de una fracción de nucleótidos con marcadores fluorescentes, normalmente en las posiciones de polimerización y con un color diferente para cada base, de manera que se formen cadenas de distinta longitud en las que cada longitud emita en el color correspondiente a la posición de la base, pudiéndose leer la secuencia de bases en colores.

Lectura de un electroferograma para la secuenciación de ADN
Fuente: Wikipedia; CNX OpenStax / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)

La otra opción de detección es emplear un detector de masas en tándem, de manera que tras sucesivos fraccionamientos estos coincidan con los de un patrón introducido previamente. También es posible la secuenciación de la cadena de ADN por masas pero es un proceso más complicado y, normalmente, es necesario la ayuda de software que ayude a compilar la gran cantidad de información.

Siento la parrafada sobre la detección, pero creo que es la parte más limitante con respecto al tiempo de la PCR y una de las más olvidadas cuando se habla de PCR. Además, el hecho de ser experto en análisis hace que sea la parte en la que más puedo aportar... Seguimos...

¿Qué etapas tienen los ciclos de la PCR?

La PCR tiene etapas de temperatura en el termociclador que permiten la amplificación o multiplicación de las cadenas de ADN. Recordemos que las cadenas de ADN son dobles, que están unidas por uniones intermoleculares (enlaces de hidrógeno) y que para decirle dónde vamos a empezar la multiplicación vamos a usar los cebadores.

Inicio
Este paso consiste en llevar la reacción hasta una temperatura de 98 °C (si se está usando una polimerasa termoestable extrema), que se mantiene durante 1-9 minutos. Esto solo es necesario para ADN polimerasas que requieran activación por calor.

Desnaturalización
En primer lugar, se desnaturaliza el ADN (se separan las dos cadenas de las cuales está constituido). Este paso puede realizarse de diferentes modos, siendo el calentamiento la forma más habitual. Otros métodos serían la adición de sales o agentes químicos capaces de realizar la desnaturalización.

Alineamiento o unión del cebador
A continuación se producirá la hibridación del cebador, es decir, el cebador se unirá a su secuencia complementaria en el ADN molde. Para ello es necesario bajar la temperatura a 40-68 °C durante 20-40 segundos, permitiendo así el alineamiento. Los puentes de hidrógeno estables entre las cadenas de ADN (unión ADN-ADN) solo se forman cuando la secuencia del cebador es muy similar a la secuencia del ADN molde. La polimerasa une el híbrido de la cadena molde y el cebador, y empieza a sintetizar ADN. Los cebadores actuarán como límites de la región de la molécula que va a ser amplificada.

Extensión o elongación de la cadena
Actúa la polimerasa, tomando el ADN molde para sintetizar la cadena complementaria y partiendo del cebador como soporte inicial necesario para la síntesis de nuevo ADN. La polimerasa sintetiza una nueva hebra de ADN complementaria a la hebra molde añadiendo las bases complementarias. La temperatura para este paso depende del ADN polimerasa que usemos (para la polimerasa Taq, la temperatura de máxima actividad está en 75-80 °C aunque se suele usar 72 °C).

El tiempo de extensión depende tanto del ADN polimerasa usada como de la longitud del fragmento de ADN que se va a amplificar. Hay una regla comúnmente usada: en su temperatura óptima, la polimerasa de ADN polimerizará mil bases en un minuto.

Elongación final
Etapa única que se lleva a cabo a una temperatura de 70-74 °C durante 5-15 minutos tras el último ciclo de PCR. Con ella se asegura que cualquier ADN de cadena simple restante sea totalmente ampliado.

Conservación
Este es un paso que se lleva a cabo a 4-15 °C durante un tiempo indefinido para conservar la reacción a corto plazo.

Aquí acabaría el ciclo de PCR, que para realizar el siguiente ciclo volvería a empezar. Cada uno de estos ciclos se pueden llevar a cabo en casi un centenar de viales simultáneamente.

Como conclusión, la PCR es una técnica muy potente en el campo de la genética y la genómica que permite la replicación de una cadena de ADN millones de veces, siendo capaces de mejorar la sensibilidad de las técnicas de detección y pudiendo obtener millones de copias a partir de una sola hebra de ADN (para 20 ciclos salen 1.048.576 copias y para 35 ciclos 34.359.738.368‬ copias de la cadena original). Además, en el caso de los virus y, en particular, del coronavirus, es necesario el uso de una transcripción inversa, que pase el ARN presente en el virus a ADN, necesario para la PCR. Finalmente, todas las copias obtenidas se analizan por electroforesis en gel o capilar. La similitud o diferencia con la secuencia ya conocida del coronavirus determinan si la muestra obtenida contiene o no algún resto del virus.


Hasta aquí el post de esta semana. Espero que te haya gustado, y más después de ser uno de los temas más elegidos en las encuestas semanales en Facebook y Twitter. Recuerda que tú puedes elegir el siguiente tema en las encuestas semanales. Para ello, síguenos en nuestras redes sociales: en Facebook, Twitter e Instagram con @callofchemistry .

Nos vemos!!

¿Qué es el acero?

Buenas! En el post de esta semana hablaremos sobre qué es el acero, los tipos y sus características principales. Empecemos...

¿Qué es el acero?

El acero es una aleación entre hierro y carbono, con un porcentaje de carbono inferior al 2.1%. Esta adición de carbono al hierro le proporciona al hierro (denominado dulce cuando su pureza es muy alta) unas propiedades mejoradas con respecto al hierro. El acero es empleado en material quirúrgico, en construcción, en material de cocina, en material de laboratorio aunque el uso más conocido puede ser en armamento.

Las aleaciones con porcentajes de carbono superior al 2.1% ya no se consideran aceros, sino fundiciones. Estas fundiciones tienen propiedades diferentes al acero, por ejemplo, su dureza es mayor pero aumenta mucho su fragilidad, es decir, es más fácil romperlo con un golpe seco. Las fundiciones son muy usadas en las tapas del alcantarillado, debido a que aguantan una gran cantidad de peso pero son frágiles a los golpes fuertes (todos hemos visto alguna tapa de alcantarilla rota).

¿Y de donde viene esa diferenciación en 2.1%? Esto se debe a que, a partir del 2.1% empieza a aparecer una fase de Fe₃C, más iónica, que aporta un extra de dureza pero también de fragilidad, que muchas veces es indeseable.

¿Cómo se consigue el acero?

Inicialmente se cree que fue accidental, al calentar el hierro para fundirlo en hornos de carbón, donde pequeñas cantidades del carbón en el humo se depositaron en el hierro, confiriéndole nueva propiedades.

El proceso que realmente ocurre es que, por diferencia de tamaños atómicos, el carbono es capaz de colocarse en los pequeños huecos que deja el hierro en su estructura, creando un tipo compuesto denominado intersticial (por que el carbono se coloca en los huecos o intersticios).

Dependiendo del porcentaje de carbono que tenga, de la temperatura a la que se haya calentado y a la velocidad que se haya enfriado se obtienen diferentes tipos de acero. Las estructuras que se obtienen se muestras en un diagrama en el que, en el eje de abscisas (horizontal), se muestra el porcentaje de carbono y, en el eje de ordenadas (vertical), se muestra la temperatura.

Diagrama hierro-carbono con nombres de cada fase (si no se puede ver os dejo el enlace abajo)
https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Diagrama_Fe_C_zona_de_los_aceros.svg

En este diagrama se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente, de modo tal que los procesos de difusión (homogeneización) tengan tiempo para completarse. Por tanto, sabemos qué fase se va a obtener a partir del porcentaje en carbono y la temperatura de calentamiento. Para fijar alguna de las estructuras se utiliza la técnica del templado.

El templado es es un tratamiento térmico consistente en el rápido enfriamiento de la pieza para obtener determinadas propiedades de los materiales. Se evita que los procesos de baja temperatura, tales como transformaciones de fase, se produzcan al solo proporcionar una estrecha ventana de tiempo en el que se produce el cambio de fase. Esto permite que el acero se fortalezca y endurezca.

Cada estructura (austenita, perlita, cementita, ferrita, cementita) tiene unas propiedades de dureza y tenacidad diferente por lo que cada estructura puede ser apta para diferentes fines, por lo que controlar la temperatura de calentamiento y el porcentaje de carbono es crítico en ciertas aplicaciones.

¿Cómo se qué estructura tengo?

Cada estructura tiene un orden tridimensional diferente por lo que bajo el microscopio se ven diferentes. Tras un tratamiento ácido, las estructuras pueden identificarse por su forma y su color y su forma bajo el microscopio. Hay múltiples libros e información multimedia donde se pueden ver las micrografías obtenidas para cada estructura.

Micrografía del acero de una pistola
(Enciclopedia Británica, 1911)

Otra forma indirecta de saber qué estructura tenemos (o al menos poder estimarlo) es a través de ensayos físicos, como los ensayos de dureza. A partir de la dureza obtenida y del porcentaje de carbono se puede estimar la estructura obtenida en el templado.

Hasta aquí el post de esta semana. Espero que a partir de hoy veas programas como "Forjado a Fuego" (Forged on Fire) o similares de otra manera. En caso de tener alguna duda, pregunta o querer más información déjalo en los comentarios del post, o en las páginas del blog en Facebook, Instagram o Twitter, en todos con @callofchemistry. Alí también tendréis todas las novedades del blog y las encuestas para la elección de los temas del blog.

Nos vemos!!

¿Son lo mismo un vidrio y un cristal?

La mayoría de la gente (al menos en España) al coger un vaso piensa que es de cristal, pero en los anuncios dicen que si se rompe hay que tirarlo al contenedor de vidrio. Entonces, ¿estas dos palabras son sinónimas? ¿Significan lo mismo y son intercambiables? Vamos a verlo...

¿Vidrio o cristal?

Si nos vamos al diccionario de la RAE a buscar la respuesta, éste nos proporciona una respuesta un tanto ambigua. Si nos vamos a la definición de cristal y miramos la primera acepción nos encontramos:

Vidrio, especialmente el de alta calidad.

Ésto nos puede llevar a pensar que, efectivamente, el cristal y el vidrio son lo mismo, al menos el de alta calidad. Pero como no sabemos la calidad de lo que tenemos en casa pues nos valen como sinónimos, ¿no? Pues no. La verdad se revela en la quinta acepción, que nos da una pista de por dónde pueden estar las diferencias:

Fís. y Quím. Sólido cuyos átomos y moléculas están regular y repetidamente distribuidos en el espacio.

¡Premio! Ya intuimos una de las diferencias, al menos el cristal está "regular y repetidamente distribuido", es decir, está ordenado. Tiene un orden, una periodicidad en el espacio. Esta suposición se ratifica cuando nos vamos a la definición de vidrio y leemos en su primera acepción:

Material duro, frágil y transparente o traslúcido, sin estructura cristalina, obtenido por la fusión de arena silícea con potasa y moldeable a altas temperaturas.

Si obviamos la segunda mitad, que se refiere únicamente a un vidrio específico, que es el que se suele usar en los materiales caseros, nos dice que es un tipo de material que no tiene estructura cristalina, es decir, que no está ordenado. Por fin hemos encontrado la diferencia entre estos dos términos, en principio, tan similares. Uno de ellos, el cristal, está ordenado, mientras que el otro, el vidrio, no lo está.

De hecho, casi seguro que habrás escuchado que un vidrio es "un sólido que mantiene la estructura del líquido" y, aunque no es cierto, no está tan lejos de la realidad. Esta afirmación se debe principalmente a las ventanas antiguas, en las que se observa que son más delgadas en la parte superior que en la inferior, ya que el cristal ha "fluido" hacia la parte inferior debido a la gravedad durante décadas. Esto sabemos que es tajante mente falso, pero el hecho de que en muchas catedrales ocurra este fenómeno ha hecho pensar eso a mucha gente pero, realmente, el vidrio no fluye y este hecho es una consecuencia de la fabricación antigua de los vidrios planos.

Esta diferencia supone un cambio importante en su comportamiento y en sus propiedades macroscópicas. Un cristal tiene sus propiedades más definidas mientras que en el cristal, el hecho de que no esté ordenado, hace que muchas de las propiedades se vean ligeramente distorsionadas o no estén bien definidas como, por ejemplo, el punto de fusión.

Otra de las diferencias es su resistencia a los golpes o tenacidad. En principio, un cristal aguantará mucho mejor un golpe que un cristal, ya que la cantidad de enlaces establecidos en la zona del impacto es mucho mayor. Aún así, la ruptura de un vidrio se producirá por el punto más débil, manteniendo el resto de la estructura intacta (es por eso que el vidrio se puede cortar con la forma deseada). y las ventanas rotas dejan trozos grandes intactos o los vasos se rompen en pocos trozos. Por el contrario, los cristales cuando se rompen pierden la estructura cristalina y las tensiones que se generan hacen que el cristal entero se resquebraje, como cuando se rompe la ventana de un coche por un golpe.

Diferencia entre un vidrio (izda) y un cristal (dcha) rotos

Aunque si lo pensamos el cristal del coche no pudo ser inicialmente un cristal ordenado si se le tuvo que dar forma. Esto se puede conseguir, si no totalmente al menos parcialmente, con una técnica conocida desde hace muchos años y que los espectadores de Forjado a Fuego habrán escuchado hasta la saciedad: el templado. Está técnica consiste en calentar el cristal hasta una temperatura cercana a la de fusión para que los átomos (o componentes) del vidrio puedan reordenarse y adoptar una estructura muy parecida a la del cristal, mejorando sus propiedades, entre ellas la tenacidad como ya hemos explicado antes.

Ah!, así que creías que los vidrios son únicamente materiales transparentes y susceptibles de formar vasos, ventanas y gafas como parece sugerir el diccionario de la RAE... Pues no, todo material que se ordene es susceptible de formar cristales y, por tanto, si a su forma fluida se le baja la temperatura de forma drástica formará un cristal. Esto implica que todos los metales y los compuestos iónicos ordenados pueden, en principio, formar cristales y ordenarse de una forma y geometrías definidas. Estas formas y geometrías dependen de diversos factores en los que no vamos a entrar hoy.

Por último, daros una pista para identificar cristales, es decir, estructuras ordenadas: Forman formas poliédricas definidas, es decir, tienen formas con aristas y vértices bien definidos. Estos detalles se aprecian muy bien en muchos minerales; mientras que los vidrios son más parecidos a las estalactitas y estalagmitas de las cuevas en las que los sus átomos no se han podido ordenar porque han precipitado al tener un defecto de agua. Si bebes vino alguna vez en casa aparta el corcho cuando aún esté húmedo y observa si lo que se forma son cristales o vidrios de los componentes del vino.

Hasta aquí el post de esta semana. Es un tema que he estado aplazando durante bastante tiempo pero que por fin ha llegado. Si te ha gustado, se te ha quedado corto o hay alguna duda ponlo en los comentarios, en Facebook, en Instagram o en Twittter (@callofchemistry en todas las redes sociales).

Nos vemos!!

Lauril sulfato, ¿qué es?

Hace unos años, cuando todavía no teníamos móviles con los que ir al baño, nos solíamos entretener leyendo las etiquetas del champú o de los jabones que tuviésemos a mano. En estos jabones los ingredientes se ordenan de mayor a menor. Siempre me llamó a atención uno de los ingredientes, habitualmente colocado en el segundo o tercer puesto, que se llamaba lauril sulfato (Lauryl sulfate o Laureth sulfate) y pasaron varios años hasta que supe qué era y para qué se utilizaba. Vamos a verlo...

¿Qué es el lauril sulfato?

Ejemplo de lista de ingredientes de un champú
https://chemistry.stackexchange.com/questions/65865/why-do-shampoo-ingredient-labels-feature-the-term-aqua/65867

Como se ve en la imágen, el lauril sulfato, amónico en este caso, es el segundo ingrediente más abundante en muchos productos de higiene. El lauril sulfato es un nombre aceptado para un compuesto muy utilizado tanto en cosmética como en investigación. Lo único que muchos químicos lo conocerán como "Dodecil sulfato" o "SDS". Este compuesto consiste en una cadena de 12 átomos de carbono (con los hidrógenos oportunos) con un grupo sulfato en un extremo. Esta cadena de carbonos e hidrógenos repele el agua mientras que la parte del sulfato tiene mucha afinidad por el agua. Lo que consigue esta molécula es tener una parte soluble en agua y otra parte insoluble.

Modelo atómico del lauril sulfato
Negro: carbono; blanco: hidrógeno; rojo; oxígeno; amarillo: azufre

Esto permite que la cadena de carbonos, que es muy compatible con las grasas, por ejemplo, puedan ser solubles en agua; permitiendo eliminar grasas y otras sustancias hidrofóbicas que contiene nuestro cuerpo. De esta manera, con una pequeña molécula se consigue disolver las grasas en agua, algo que, a priori, no es posible.

En investigación, se emplea habitualmente la sal sódica del lauril sulfato, habitualmente conocida como dodecil sulfato sódico, o SDS por sus iniciales en inglés. Se utiliza con el mismo propósito que en cosmética, diluir en agua sustancias no solubles, especialmente proteínas y ADN. Se utiliza frecuentemente en electroforesis de gel de poliacrilamida para ayudar a solubilizar todos estos compuestos para que sean separados e identificados.

También se encuentra habitualmente otro compuesto relacionado con el lauril sulfato, que aparece en los botes como "Laureth sulfate" o lauril éter sulfato. Este compuesto es el hermano del SDS, la única diferencia es que contiene grupos etoxilo entre el sulfato y la cadena de carbonos. Su alta compatibilidad con la piel y su capacidad humectante y emulsionante hacen que sea una de las materias primas en la industria cosmética. A estas propiedades hay que sumarle su ligero olor que permite que sea perfumado sin inconvenientes.

Ambos compuestos son considerados tensioactivos, cambian la tensión superficial del agua. Es un tensioactivo iónico, ya que en disolución acuosa tienen una carga negativa, localizada en el sulfato.

Con esto ya sabéis un poco más sobre aquello que os echáis en la piel (casi) a diario. Si hay dudas o preguntas, por favor, dejadlas aquí abajo en los comentarios o en Facebook, Instagram o Twitter en @callofchemistry.

Nos vemos!!

Fuerzas intermoleculares

Hace unas semanas hablamos de cómo funcionaban los enlaces entre átomos (enlace químico) y por ello esta semana veremos por encima cómo funcionan las fuerzas intermoleculares. Empezamos...

¿Qué son las fuerzas intermoleculares?

Las fuerzas intermoleculares son las fuerzas que mantienen juntas a las moléculas de compuestos covalentes moleculares. El resto de compuestos (iónicos, metálicos y covalentes no moleculares) forman redes y no moléculas discretas por lo que en principio no presentarían está fuerzas, pero aparecen entre cadenas y/o láminas.
Estas fuerzas son de distinta intensidad dependiendo de varios factores que determinan cada fuerza, desde la deformación de la envolvente electrónica hasta interacciones iónicas.
Para entender estas deformaciones es necesario conocer algún concepto. Un dipolo es el campo eléctrico creado por dos átomos enlazados que tienen distinta electronegatividad. Estos dipolos son permanentes, si los átomos enlazados son diferentes, instantáneos, si se producen por deformaciones instantáneas, o inducido, que ocurren por deformación a partir de otros dipolos, ya sean permanentes o instantáneos.

Clasificación:

Las fuerzas intermoleculares, también conocidas como de Van Der Waals, clasificadas de menor a mayor intensidad, son las siguientes:

• Fuerzas de dispersión de London o interacciones dipolo instantáneo-dipolo inducido. Son las interacciones más débiles. Ocurren cuando un dipolo instantáneo induce otro dipolo en una molécula apolar, sin dipolo, debido a las atracciones del núcleo de un átomo por la corteza electrónica del otro. Son deformaciones instantáneas que apenas tienen intensidad.
• Fuerzas dipolo-dipolo inducido. Tienen lugar cuando un dipolo permanente induce un dipolo a un enlace no polar. Tienen intensidades mayores a las de London pero siguen siendo débiles.
• Fuerzas dipolo-dipolo. Ocurren entre moléculas polares. Son mayores que las anteriores y son permanentes con el tiempo, por lo que unen más fuertemente a las moléculas polares.
• Enlaces de hidrógeno. Uniones entre átomos con pares de electrones libres y átomos de hidrógenos. El hidrógeno suele tener una pequeña carga positiva, por lo que es atraido por pares de electrones libres. Estas uniones son generalmente más fuertes que las fuerzas dipolo-dipolo. No confundir con puentes de hidrógeno, que son otro tipo de enlaces.
• Fuerzas iónicas. Son las más fuertes. Surgen por atracción de cargas netas entre átomos de las moléculas.

¿En qué influyen?

Estas fuerzas son responsables de los estados de la materia de las sustancias moleculares. Son capaces de modular las estructuras sólidas, las temperaturas de fusión y ebullición, las solubilidades en diversos disolventes, etc. Son responsables de la mayoría de sus propiedades fisicoquímicas supramoleculares, donde los enlaces covalentes apenas tienen influencia.

Son responsables de que el agua sea líquida, el oxígeno gaseoso o la gasolina líquida pero volátil. Es la razón por la que el agua sea un disolvente habitual, que el aceite no se solubilice en agua o de que las mezclas tengan sus propiedades.

Hasta aquí el post de esta semana en el que intento seguir con un poco de divulgación básica en química. Recordad que para dudas, consultas, ampliación de información o sugerencia de nuevos temas. Para todo esto podéis usar los comentarios más abajo, en Facebook o en Instagram (@callofchemistry).

Nos vemos!

¿Qué es el enlace químico y cómo se interpreta actualmente?

Esta semana el tema elegido ha sido el enlace químico, un tema que aparentemente es sencillo pero mucho más complicado de lo que aparentemente podría parecer. Empezamos...

La Teoría de Lewis

Esta teoría fue propuesta por Gilbert Newton Lewis en 1916 en el artículo "La molécula y el átomo". Esta teoría consta en poner alrededor de un átomo un número de puntos tanto como electrones tenga en su última capa. A partir de aquí, se trata de que, compartiendo los electrones seamos capaces de dar a cada átomo 8 electrones. Esta regla se conoce como La regla del octete. Si se comparten un par de electrones se dice que tienen un enlace sencillo, si se comparten 4 electrones es un enlace doble y así sucesivamente.

A partir de aquí se fue capaz de justificar las relaciones estequiométricas observadas entre los átomos y poder predecir las fórmulas de compuestos que entonces no se conocían. Aún así, no es capaz de justificar la mayoría de propiedades, como forma, propiedades eléctricas, magnéticas o de color.

La Teoría del Mar de Electrones

Esta teoría fue propuesta para justificar las propiedades de los metales. Esta teoría supone que todos los metales son átomos que han perdido los electrones de la última capa, permaneciendo como iones positivos inmersos en un mar de electrones. Este mar o nube de electrones mantiene los iones unidos. Las justificaciones de este modelo son un poco "flojas" ya que los iones se repelerían. Intenta explicar de una manera muy somera las propiedades electricas y térmicas de los compuestos metálicos.

La Teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia (TRPECV)

Esta teoría se basa en unir los átomos como en la teoría de Lewis pero teniendo en cuenta los orbitales atómicos. Éstos únicamente se pueden combinar si cumplen criterios de simetría. Si este solapamiento es frontal, se denomina sigma (σ); mientras que si el solapamiento es lateral se denomina pi (π). Puede haber un enlace sigma y dos pi, haciendo un total de 3 enlaces entre dos átomos.

Además, teniendo en cuenta la repulsión electrónica entre orbitales llenos así como la combinación matemática entre ellos para formar orbitales nuevos (hibridación) se puede obtener de manera relativamente sencilla la forma y la distribución atómica espacial en una molécula. Aún así hay muchas propiedades en las que falla, como en el comportamiento magnético del O2, o en otras como en el color, del que no es capaz de predecirlo.

La teoría del campo del cristal

Esta teoría (menos conocida) fue desarrollada para un cierto tipo de compuestos, los complejos metálicos, en los que dependiendo de cómo se aproximen los ligandos se pueden modificar los niveles d de los átomos metálicos de manera que con la energía de ese desdoblamiento se es capaz de explicar el color y propiedades magnéticas. La pega de esta teoría radica precisamente en que únicamente vale para complejos metálicos, no es aplicable al resto de moléculas.

La teoría de orbitales moleculares

Esta teoría es la que se emplea en la actualidad y también la más compleja de todas. Permite explicar moléculas, materiales metálicos e iónicos que no podían ser explicados por las teorías anteriores. Esta teoría se basa en combinar los orbitales atómicos de las últimas capas de los átomos. Esto supone que al combinar dos orbitales atómicos surgen dos orbitales moleculares, uno enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de mayor energía). Dependiendo de cómo se coloquen los electrones el enlace será más o menos fuerte. 

El principal problema de este modelo es la complejidad para obtener resultados, siendo necesario mucho tiempo (incluso semanas) de cálculo computacional para la obtención de estructuras. Igualmente, las geometrías y energías pueden no necesitarse con tanta precisión, habiéndose desarrollado modelos alternativos basados en físicas más sencillas. Este modelo aplicado completamente permite predecir comportamientos eléctricos, magnéticos, colores, formas e infinidad de energías necesarias para la caracterización de la molécula (UV, IR, RMN, etc).

Actualmente este modelo se usa no sólo para moléculas sino también para metales y compuestos iónicos, dando lugar a la teoría de bandas, que surge de aplicar la teoría de orbitales moleculares a redes (casi) infinitas.

Pues con este breve resumen lo dejamos esta semana. Si tienes dudas, preguntas o quieres ampliar cualquiera de las teorías sólo tienes que pedirlo. Para eso y más puedes utilizar también los comentarios en Facebook e Instagram.

Nos vemos!!