Fuerzas intermoleculares y cuidado de los ambientes acuáticos

En la feria del agricultor de cualquier pueblo, la señora que vende aceite casero ve cómo una gota cae en el balde de agua con que lavan el piso: se queda arriba, hecha una mancha brillante que no se mezcla. Si le echan un poco de detergente, la mancha se rompe en gotitas y se va. Ahí hay química de fuerzas intermoleculares, la misma que decide si un río se limpia solo o queda herido por años.

Una molécula puede ser pequeña y estar muy bien enlazada por dentro, pero lo que decide cómo se comporta una sustancia (si hierve a 100 °C o a –160 °C, si se disuelve o flota) son las atracciones entre moléculas. A eso se le llama fuerzas intermoleculares.

Los cuatro tipos que pide el programa#

Fuerzas de dispersión de London#

Están presentes en todas las moléculas, polares o no. Los electrones se mueven, y en un instante la nube electrónica queda un poco más cargada de un lado: se forma un dipolo temporal que induce otro en la molécula vecina, y ambas se atraen. Son la única fuerza entre moléculas no polares como CH₄, O₂, N₂ o los hidrocarburos de la gasolina. Crecen con el tamaño de la molécula: por eso el metano (CH₄) es un gas y el octano (C₈H₁₈) de la gasolina es líquido.

Dipolo-dipolo#

Se da entre moléculas polares, que tienen un extremo parcialmente positivo y otro parcialmente negativo. El extremo positivo de una atrae al negativo de la vecina. El HCl y el CH₃Cl son ejemplos. Para que la molécula sea polar no basta con tener enlaces polares: la geometría debe impedir que se cancelen. El CO₂ tiene enlaces polares, pero es lineal y su dipolo total es cero.

Puente de hidrógeno#

Es un dipolo-dipolo especialmente fuerte, que aparece cuando un hidrógeno está unido a flúor, oxígeno o nitrógeno (H–F, H–O, H–N) y es atraído por un par de electrones libres de F, O o N de otra molécula. Es la fuerza del agua, del etanol, del amoníaco y de las proteínas y el ADN. Mucha gente lo confunde con un enlace químico real. La diferencia es que el puente de hidrógeno es una atracción entre moléculas y se rompe con mucha menos energía que un enlace covalente.

Ion-dipolo#

Es la atracción entre un ion y una molécula polar. Cuando el NaCl se disuelve en agua, los iones Na⁺ atraen el oxígeno (parcialmente negativo) de las moléculas de agua, y los iones Cl^– atraen los hidrógenos (parcialmente positivos). Esa fuerza compensa la energía necesaria para separar el cristal.

Cómo se ve en los puntos de ebullición#

Compara estas sustancias y verás las fuerzas en acción:

Sustancia	Fuerza principal	Punto de ebullición aprox.
CH4	Dispersión	–162 °C
HCl	Dipolo-dipolo	–85 °C
H2S	Dipolo-dipolo	–60 °C
H2O	Puente de hidrógeno	100 °C
CH3CH2OH (etanol)	Puente de hidrógeno	78 °C
CH3OCH3 (dimetil éter)	Dipolo-dipolo	–24 °C

Ejemplo. El etanol y el dimetil éter tienen la misma fórmula, C₂H₆O. ¿Por qué uno hierve a 78 °C y el otro a –24 °C? Solución. El etanol tiene un grupo O–H, así que sus moléculas forman puentes de hidrógeno entre sí. En el éter, el hidrógeno está unido a carbono y no al oxígeno, por lo que solo hay dipolo-dipolo, más débil. Hace falta más energía para separar las moléculas de etanol.

El agua es el caso más llamativo. El H₂S, con una molécula más grande, hierve mucho más abajo que el H₂O. Sin puentes de hidrógeno, el agua sería un gas a temperatura ambiente y la vida en la Tierra tal como la conocemos no existiría.

Qué se disuelve en qué#

La regla que se repite en los exámenes es «semejante disuelve a semejante». Las sustancias polares se disuelven en solventes polares, y las no polares en no polares, porque las fuerzas que se forman con el solvente deben ser parecidas a las que se pierden. Por eso el aceite (hidrocarburo de cadena larga, no polar) no se mezcla con agua: las moléculas de agua se atraen entre sí con puentes de hidrógeno muy fuertes y prefieren quedarse juntas, dejando al aceite aparte.

El detergente resuelve el problema porque su molécula tiene dos extremos: una cabeza polar que se lleva bien con el agua y una cola larga no polar que se lleva bien con la grasa. Rodea las gotas de aceite con las colas hacia adentro y las cabezas hacia afuera, y el agua se las lleva. La misma propiedad que limpia el trastero puede ser un problema cuando llega a un río.

Las acciones humanas y los ambientes acuáticos#

Costa Rica tiene ríos, manglares, humedales y dos costas, y buena parte de la vida del país depende de ellos. Las fuerzas intermoleculares ayudan a entender qué pasa cuando les llega algo que no es agua.

• Derrames de hidrocarburos. El petróleo es no polar, no se disuelve y flota, formando una capa que bloquea el paso del oxígeno y de la luz, y se pega a plumas y branquias. Limpiarlo es difícil justamente porque no se mezcla con el agua.
• Detergentes y fosfatos. Los fosfatos de algunos detergentes y los nitratos de los fertilizantes son nutrientes. En exceso provocan la eutrofización: las algas se multiplican, tapan la luz, mueren, y las bacterias que las descomponen consumen el oxígeno disuelto. Los peces se asfixian.
• Aguas residuales sin tratar. Llevan materia orgánica y microorganismos. Ríos como el Tárcoles han recibido durante décadas aguas negras y desechos de la Gran Área Metropolitana.
• Metales pesados. El mercurio y el plomo, que llegan por la minería artesanal o desechos industriales, se acumulan en los organismos y suben por la cadena alimentaria hasta los peces que comemos.
• Plásticos. Son polímeros no polares que casi no se degradan; se fragmentan en pedazos cada vez más pequeños que absorben contaminantes en su superficie, por dispersión.

Hay otro efecto que se olvida: el aumento de temperatura. El oxígeno disuelto en el agua es un gas no polar que se mantiene gracias a fuerzas débiles, y cuando el agua se calienta se escapa. Un río con aguas tibias por desechos industriales tiene menos oxígeno para los peces, aunque no haya ningún veneno.

Qué puedes hacer#

Pon el aceite de cocina usado en un envase y llévalo a un centro de acopio en vez de verterlo en el fregadero; un litro de aceite puede afectar miles de litros de agua. Usa detergentes biodegradables y sin fosfatos, y no tires basura en quebradas y alcantarillas, porque todas desembocan en el mismo mar.

Ponte a prueba#

Ordena de menor a mayor punto de ebullición: H₂O, CH₄ y HCl. Justifica.#

¿Qué tipo de fuerza intermolecular predomina entre moléculas de CO₂? Explica.#

¿Por qué el aceite flota sobre el agua en vez de mezclarse?#

Explica cómo una sobrecarga de fosfatos en un lago puede matar a los peces aunque los fosfatos no sean tóxicos para ellos.#

¿Qué fuerza permite que el NaCl se disuelva en agua?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Química, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)