La superficie de van der Waals de una molécula es una representación abstracta o modelo que ilustra, en términos generales, dónde residiría la superficie de dicha molécula basándose en los límites estrictos de los radios de van der Waals de los átomos individuales. Esta superficie representa la frontera a través de la cual se concibe que una molécula interactúa con otras moléculas circundantes.
Origen y Definición
También conocida como envolvente de van der Waals, esta superficie lleva el nombre de Johannes Diderik van der Waals, un físico teórico y termodinámico holandés. Van der Waals desarrolló una teoría para proporcionar una ecuación de estado líquido-gas que tuviera en cuenta el volumen no nulo de los átomos y las moléculas, así como la fuerza atractiva que exhiben al interactuar.
En la actualidad, las superficies de van der Waals son herramientas fundamentales en las representaciones abstractas de moléculas. Originalmente se accedía a ellas mediante cálculos manuales o modelos físicos de madera y plástico; hoy en día, se generan digitalmente a través de software de química computacional. Un ejemplo destacado son los modelos CPK (nombrados por Robert Corey, Linus Pauling y Walter Koltun), que fueron los primeros modelos físicos ampliamente utilizados basados en los radios de van der Waals, permitiendo un uso pedagógico y de investigación extensivo.
Volumen y Área de Superficie de van der Waals
Relacionados con este concepto se encuentran el volumen de van der Waals (Vw) y el área de superficie de van der Waals (Aw, vdWSA o VSA).
Área de Superficie de van der Waals
El área de superficie de van der Waals es una concepción abstracta del área superficial de átomos o moléculas derivada de una estimación matemática, ya sea computándola desde principios fundamentales o integrando sobre un volumen de van der Waals correspondiente. En el caso más simple, para un gas monoatómico esférico, es simplemente el área de la superficie de una esfera cuyo radio es igual al radio de van der Waals del átomo gaseoso:
Volumen de van der Waals
El volumen de van der Waals es una propiedad directamente relacionada con el radio de van der Waals y se define como el volumen ocupado por un átomo individual o, en un sentido combinado, por todos los átomos de una molécula.
Para un gas monoatómico esférico, el volumen Vw se calcula como el volumen de una esfera:
En el caso de una molécula, Vw es el volumen encerrado por la superficie de van der Waals. Es importante notar que los volúmenes de van der Waals de las moléculas son siempre menores que la suma de los volúmenes de sus átomos constituyentes. Esto ocurre porque las distancias interatómicas resultantes de los enlaces químicos son menores que la suma de los radios de van der Waals atómicos. Así, la superficie de una molécula diatómica homonuclear puede verse como el solapamiento pictórico de las dos superficies esféricas de los átomos individuales.
Determinación de los Radios y Volúmenes
Los radios y volúmenes de van der Waals pueden determinarse mediante diversos métodos:
- Propiedades mecánicas de los gases: Determinación de la constante de van der Waals.
- Punto crítico: Análisis de las propiedades de un fluido en su punto crítico.
- Mediciones cristalográficas: Espaciado entre pares de átomos no enlazados en cristales.
- Propiedades eléctricas u ópticas: Polarizabilidad o refractividad molar.
Dado que las mediciones se realizan en muestras macroscópicas, los resultados se expresan como cantidades molares y se dividen por la constante de Avogadro para obtener el volumen de una sola molécula. Debido a que diferentes métodos pueden dar valores ligeramente distintos (generalmente dentro de 1–2 Å), las tablas de referencia suelen utilizar una media ponderada de varios valores experimentales. Además, se argumenta que el radio de van der Waals no es una propiedad fija, sino que puede variar según el entorno químico del átomo.