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Fuerzas de Van der Waals

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Fuerzas de Van der Waals
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Presentación

Fuerzas de Van der Waals o interacciones de Van der Waals, son las fuerzas atractivas o repulsivas entre moléculas (o entre partes de una misma molécula) distintas a aquellas debidas a un enlace intramolecular (Enlace iónico, Enlace metálico y enlace covalente de tipo reticular) o a la interacción electrostática de iones con otros o con moléculas neutras. El término incluye:

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Johannes Diderik van der Waals (1837-1923)
  • Fuerza entre dos dipolos permanentes (Dipolo-Dipolo): Si las interacciones son entre moléculas que están polarizadas de manera permanente (por ejemplo, las moléculas de agua que atraen otras moléculas de agua u otras moléculas polares), se conocen como fuerzas de Keesom.
Interacciones Dipolo-Dipolo
  • Fuerza entre un dipolo permanente y un dipolo inducido: Cuando un dipolo inducido (esto es, un dipolo que se induce en un átomo o una molécula que de otra manera sería no polar) interactúa con una molécula que tiene un momento dipolar permanente, esta interacción se conoce como fuerza de Bedye. Un ejemplo de esta interacción serían las fuerzas entre las moléculas de agua y las de tetracloruro de carbono.
  • Fuerza entre dos dipolos inducidos instantáneamente: Si las interacciones son entre dos dipolos que están inducidos en los átomos o moléculas, se conocen como fuerzas de London (por ejemplo, el tetracloruro de carbono).

Son fuerzas de estabilización molecular; forman un enlace químico no covalente en el que participan dos tipos de fuerzas o interacciones, las fuerzas de dispersión (que son fuerzas de atracción) y las fuerzas de repulsión entre las capas electrónicas de 2 átomos contiguos.

  • Fuerzas ion-dipolo: En este caso el ion se va rodeando de las moléculas polares. Estas fuerzas son importantes en los procesos de disolución de sales.
Ion-dipolos.gif
Ion-Dipolo

Fuerzas de dispersión

Todos los átomos, aunque sean apolares, forman pequeños dipolos debidos al giro de los electrones en torno al núcleo. La presencia de este dipolo transitorio hace que los átomos contiguos también se polaricen, de tal manera que se producen pequeñas fuerzas de atracción electrostática entre los dipolos que forman todos los átomos.

Repulsión electrostática

A estas fuerzas de dispersión se opone la repulsión electrostática entre las capas electrónicas de dos átomos contiguos.

La resultante de estas fuerzas opuestas es una distancia mínima permitida entre los núcleos de dos átomos contiguos. Distancia que se conoce como radio de Van der Waals. Es ésta una fuerza muy importante en biología, porque es uno de los enlaces no covalentes que estabilizan la conformación de las proteínas. La energía del enlace de Van der Waals es de 1–2 kcal/mol.

Las fuerzas de Van der Waals conforman el tipo más débil de fuerza intermolecular que puede darse en la naturaleza, necesitándose un aporte energético de 0,1 a 35 kJ/mol para romper dicha interacción.

Uniones Intermoleculares.png

Clases de enlace de Van der Waals

  • Orientación: interacción dipolo permanente-dipolo permanente.
  • Inducción: interacción dipolo permanente-dipolo inducido.
  • Dispersión (Fuerzas de London): dipolo instantáneo-dipolo instantáneo.

Los lagartos gecko pueden adherirse a las paredes y techos, debido a las fuerzas de Van der Waals.

Patas de lagartija.jpeg

Muchos geckos pueden adherirse tenazmente a superficies lisas como techos y vidrios gracias a sus cojinetes adhesivos en los dedos de sus patas. Un pie puede sostener el peso de más de veinte veces el peso del lagarto. Pero lo que resulta aún más impresionante es que incluso un gecko muerto puede adherirse con tanta fuerza como uno vivo, de acuerdo con un estudio publicado en Biological Letters.

En el reverso de los dedos del gecko hay pequeñas estructuras llamadas satae, millones de estructuras muy finas como pelos, que proveen de un área aumentada para lograr un contacto realmente estrecho entre sus pies y la superficie de apoyo. Éstos operan a través de fuerzas de fricción y de moléculas, llamadas fuerzas de van der Waals. Los satae son curvos hacia el centro del pie, y cuando el gecko tira un dedo hacia afuera, los satae se enderezan. La adhesión de este pequeño lagarto es tan fuerte que las personas han intentado emularlo por años.

Para ver si los geckos controlan activamente esta firme adhesión, William Stewart y Timothy Highman de la Universidad de California, Riverside, compararon el agarre de cinco geckos tokay (Gekko gecko) antes y después de treinta minutos de su muerte. Ellos desarrollaron un instrumento que mide la fuerza de adhesión mientras intentan despegar los pies del gecko de una superficie vertical de acrílico.

Lo que descubrieron, fue que los geckos muertos mantienen la habilidad de adherirse con la misma fuerza que los vivos y por lo tanto, la fuerza de su adhesión es intrínseca a su sistema adhesivo –es pasiva–. Un trabajo previo ha sugerido que se requiere una actividad muscular o neuronal para empujar el pie y los dedos hacia una superficie. “Con respecto a los geckos, el ser pegajosos no requiere de esfuerzo. La muerte no afecta ni el movimiento ni la postura de los pies adheridos del gecko. No encontramos diferencia en la fuerza adhesiva o en el movimiento de dedos adheridos entre nuestros experimentos antes y después de la muerte”, dice Higham.

Robert J.Full (Universidad de California en Berkeley) y sus colegas

Vellocidad en dedos de un gecko – Estos pequeños lagartos tienen en cada uno de sus deditos más de 500.000 pelos más finos que el cabello humano. Inspiran a los científicos ya que las divisiones en las puntas causan que puedan adherirse a cualquier superficie vertical y desafiar las leyes de la gravedad.

El equio de científicos afirma que las salamanquesas se pegan a las superficies explotando nada menos que su estructura molecular . O sea, que se adhieren por una forma de atracción atómica.

En los años sesenta, German Uwe Hiller descubrió que la adherencia de una salamanquesa aumenta con la energía de superficie del medio por el que se desplaza. La energía de superficie es una medida de la rugosidad de una superficie a escala atómica. Una superficie de alta energía tiene muchos enlaces atómicos sueltos. Hiller sugirió que las salamanquesas tal vez explotaban las llamadas fuerzas de Van der Waals -atracciones débiles de corto alcance entre átomos de carga eléctrica opuesta-. Muchas de las propiedades del agua, como su alto punto de ebullición, pueden explicarse por las fuerzas de Van der Waals, que unen las moléculas del agua con enlaces débiles de corto alcance.

Son suficientes las fuerzas de Van der Waals como para mantener suspendido del techo o vidrio

Han hecho falta 30 años para fundamentar la osada idea de Hiller. Las extremidades de las salamanquesas no son suaves. Cada una está recubierta de finos pelos llamados setae -aproximadamente medio millón en cada mano o dos millones en cada salamanquesa-. Cada seta tiene en el extremo un fleco formado por hasta 1.000 pelillos submicroscópicos llamados spatulae. Cada salamanquesa tiene miles de millones de spatulae, creando una superficie de rugosidad microscópica que, aparentemente, explota la energía de superficie.

Patas del gecko.jpg

Full y sus colaboradores midieron las minúsculas fuerzas generadas cuando una seta del pie de un tokay (Gekko gecko) -una especie de salamanquesa asiática que mide hasta 35 centímetros, grisáceo con manchas anaranjadas y azules- entra en contacto con una superficie, e investigaron la geometría precisa de la interacción de las setae y las superficies. El resultado del experimento se presenta en el último número de la revista Nature. Las setae tienden a apuntarse hacia el talón. Cuando la salamanquesa da un paso y pone su pata en la pared, la ventana o el techo, la interacción de las setae es máxima. La fuerza de cada seta es minúscula, pero el efecto acumulativo es enorme. Si todos los pelos estuvieran simultáneamente pegados a la superficie, el pie de una salamanquesa tokay podría experimentar una adherencia equivalente a 10 atmósferas.

Entonces, ¿cómo se despega el animal? Libera cada pie arrancando las setae, igual que uno arranca una cinta adhesiva.

Fuentes y Enlaces de Interés

Hidrocarburo halogenado

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