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!!

Cromatografía de gases (GC): Principios y comparación con HPLC

Buenas! Es este blog hemos hablado mucho de cromatografía líquida pero muy poco de cromatografía de gases. Los principios fisicoquímicos de separación son los mismos pero la instrumentación e interacciones son ligeramente diferentes. Empezamos...

¿Qué es la cromatografía de gases?

Como ya hemos explicado en muchos post anteriormente, la cromatografía es una técnica de separación basada en la diferente afinidad de un compuesto por dos fases, una estacionaria y otra móvil que circula por su superficie. La principal diferencia de la cromatografía de gases radica en que la fase móvil es un gas, frente a la cromatografía de líquidos que la fase móvil es un líquido (muy obvio).

Debido a que es un gas, las interacciones con el analito son mínimas, de hecho se intenta que sean nulas, y que únicamente sea soluble porque los gases tienden a mezclarse. Por tanto. esta fase móvil no interaccionante se va a denominar "gas portador" ya que únicamente transporta la muestra sin interaccionar con ella. Esta es una de las grandes diferencias con la cromatografía de líquidos y que permite que los picos sean mucho más estrechos (aunque esto ya lo explicaré otro dia con más detalle, lo podéis sugerir en los comentarios). Los gases portadores más empleados son el N₂ y el He, aunque en casos  especiales se puede emplear H₂, aunque hay que tener cuidado con la mala costumbre que tiene de explotar al estar en contacto con el aire (como a la salida de la columna), a presión y a temperaturas altas (más de 200ºC), por eso no se usa tanto.

Otra de las principales diferencias está en el tipo de columnas. En cromatografía de gases se suelen usar columnas capilares muy largas (entre 20 y 50 metros). Si comparamos este tipo de columnas con las utilizadas en los cromatografos de líquidos más modernos (UPLC) se ve que la tendencia es totalmente opuesta, el empleo de columnas rellenas y de longitudes mínimas (de aproximadamente 5 cm). Esta gran diferencia se basa en las propiedades físicas de los gases, principalmente en su viscosidad y su difusividad, que permiten que el flujo de los gases a través de espacios pequeños sea más fácil y que las moléculas les cueste menos moverse.

¿Qué diferencias principales hay en la instrumentación?

Supongo que esta pregunta que en principio puede parecer bastante trivial, ya que la manera de trabajar con un líquido o un gas son relativamente obvias, hay otros muchos aspectos que no lo son tanto y vamos a ver los más importantes.

El primero es que para impulsar un líquido a través de un espacio muy pequeño (como el que queda entre las partículas del relleno de la columna) hace falta una presión enorme, por lo que la bomba es una de las partes más importante. Por contra, los gases suelen venderse comercialmente a presión, haciendo que la bomba sea poco útil, ya que esta presión es más que suficiente para hacer que el gas circule.

La segunda es la manera de introducir la muestra. En líquidos vimos que esto se hace a través de válvulas de presión que permiten introducir líquidos a presión ambiental en sistemas a alta presión debido a la mínima compresibilidad de los líquidos. Como en los gases no es así, las inyecciones se realizan en un pequeño volumen a alta temperatura, para que si se introduce un liquido volátil se produzca una evaporación instantánea (evaporación flash) y que los gases que se puedan inyectar calientes no condensen. Además muchos inyectores pueden realizar diluciones mediante los sistemas split, que separan parte de la inyección e inyectan el resto, pudiéndose realizar inyecciones reproducibles con relaciones 1:1000 (uno se inyecta 1000 se desechan).

La última radica en la manera de realizar los gradientes. En cromatografía líquida se realizan incrementando la proporción de modificador orgánico, no siendo posible esto en gases porque el gas ni siquiera interacciona con el analito. Este gradiente se realiza con la temperatura de la columna, estimándose que la retención se reduce a la mitad cada 30ºC, así que con una diferencia de temperatura progresiva (rampa) entre dos temperaturas muy diferentes (habitualmente casi 200ºC) pueden separarse compuestos muy diversos.


Este post ya está quedando bastante largo, por lo que hoy lo vamos a dejar aquí. Si queréis alguna aclaración, duda, ampliar contenido o cualquier otra cosa lo podéis hacer en los comentarios de abajo, en Facebook o en Instagram (ambos @callofchemistry).

Nos vemos la semana que viene!!

Temporada 2: ¿Qué es la Química? Definición por un químico

Ya que este blog trata de química, hoy voy a intentar mostrar una idea muy general de lo que es. Así que…

¿Qué es la Química?

Si comenzamos por la definición de la Real Academia Española, en su cuarta acepción (¿Cuarta?) dice que la Química es la “Ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de los cuerpos a partir de su composición”. Realmente de lo que se ocupa la química es de las transformaciones y necesita caracterizar la materia que hay antes y después de la transformación, ya sea en estructura o en propiedades.

Esta definición de la química es una definición enfrentada a la de física, que sería la ciencia que estudia los procesos en los que NO hay transformaciones, es decir lo que hay al principio hay al final. La física está definida en la sexta acepción de la RAE (al menos los hay peores) como “Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, y las relaciones entre ambas”.

Si ponemos ejemplos de la vida cotidiana, una pelota botando sería algo que estudiaría la física, ya que la pelota botando siempre está igual, mientras que un fuego sería algo que estudiaría la química, ya que la madera del principio y el humo del final son diferentes.

Comparación entre Química y Física

Además hay que añadir que la química es fundamentalmente una ciencia experimental, es decir, sus principios proceden de la experimentación y los modelos realizados deben ajustarse a la realidad. Si no se ajusta, o no está bien hecho o puede mejorarse. Por lo tanto, creo que una buena definición para la química puede ser “Ciencia experimental que estudia los procesos que involucran un cambio en la naturaleza de la materia y los necesarios para caracterizar los estados anterior y posterior”

La química, aunque es una ciencia en sí misma, está dividida en diferentes ramas, estrechamente conectadas entre sí. Estas ramas serían la Química Analítica (que estudia cómo analizar la materia), la Química Orgánica (que se basa en estudiar compuestos con enlaces C-C y C-H), la Química Inorgánica (que estudia los compuestos con distintos enlaces a los C-C y C-H), la Química-Física (que estudia los parámetros físicos de los cambios) o la Bioquímica (estudio de los procesos químicos en los seres vivos).

Espero que os haya quedado claro qué es la química y qué estudia. Hasta aquí el post de esta semana. Si hay alguna duda, curiosidad, comentario, etc. los puedes comentar aquí, en Facebook o en la  cuenta de Instagram.

Nos vemos la semana que viene!!

¿Cómo funciona un protector solar?

Esta semana hablaremos sobre cómo evitar uno de los riesgos del verano y, sobretodo cómo evitarlo. Veremos cómo funcionan las cremas solares, esas que utilizamos en verano en la playa y/o en la montaña para evitar quemarnos la piel con el Sol. Empezamos...

¿Qué tipo de radiación nos envía el Sol y cuál es más perjudicial para nosotros?

El Sol nos envía constantemente una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, en forma de luz, vamos. De toda esa energía, la que principalmente nos llega a nosotros está contenida en la zona del infrarrojo, del visible y del ultravioleta. La energía por debajo del infrarrojo es dispersada por la atmósfera mientras que la radiación con longitudes de onda por debajo de los 200 nm es absorbida por los gases de la atmósfera y no llega a nosotros. El problema que vamos a tratar es el de la luz ultravioleta, especialmente el ultravioleta A, B y C.

Espectro electromagnético
https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Electromagnetic_spectrum-es.svg

De la radiación infrarroja se puede decir que lo más importante es el calor que ofrece, de la luz visible su propio nombre nos lo dice, nos da la luz necesaria para poder ver mientras que la luz ultravioleta nos produce quemaduras en la piel.

Para evitar esto nos aplicamos cremas solares que nos permite evitar estas quemaduras pero... ¿Cómo hacen que no nos quememos?

Absorción de luz ultravioleta

Las cremas solares absorben la luz ultravioleta y hacen que no lleguen a la piel. Esto es fácil observarlo con cámaras que captan la luz ultravioleta. Si aplicamos crema en una parte de la cara, por ejemplo, en una foto normal (captando el visible) no se aprecia una diferencia significativa mientras que con la cámara ultravioleta se observa que la parte de la cara con la crema se ve negra (porque absorbe toda la luz ultravioleta) mientras que la parte sin aplicar aparece con un color normal.

Ejemplo de bloqueo de luz ultravioleta con una crema solar
https://en.wikipedia.org/wiki/Sunscreen#/media/File:UV_and_Vis_Sunscreen.jpg

Si buscáis en Internet, incluso en la propia Wikipedia hay más fotografías en las que se observa el efecto de las cremas solares. El número que tienen las cremas (SPF, Sun Protection Factor, Factor de protección solar) indican el porcentaje de luz ultravioleta que son capaces de bloquear (en las condiciones de aplicación, si aplicas una capa más gruesa en teoría absorbe más).

Os dejo aquí abajo un vídeo (en inglés, aunque se le pueden poner subtítulos) que explica esto mucho o mejor y con más datos:

Hasta aquí el post de esta semana. Si hay alguna duda, curiosidad, comentario, etc. los puedes comentar aquí, en Facebook o en la nueva cuenta de Instagram.

Nos vemos la semana que viene!!