Forces de curt abast

Si la matèria fora totalment neutra, la química, com a ciència, poc tindria a fer. A petites distàncies (d'ordre molecular) però, es posen de manifest forces de curt abast que fan que el món que coneixem sigui com és. A la nostra història d'avui donarem una idea sobre aquestes forces.
 

[@more@]

Als àtoms, els electrons es mouen contínuament al voltant del nucli atòmic i hi ha moments que estan en un costat i moments que estan en un altre. I què succeeix si tenim una càrrega positiva en un lloc i una negativa en un altre? Doncs que entre elles formen un dipol elèctric. Això pot ocasionar que si hi ha a prop un altre àtom, encara que sigui neutre, distribueixi els seus electrons acostant-los a les càrregues de signe contrari dintre seu cap al dipol anterior.

Dipols elèctrics

En aquest moment, les molècules estan enllaçades encara que amb una força molt feble, però suficient per fer, per exemple, que un gas es torni líquid. A aquestes forces les coneixem com Forces de Van der Waals i el seu radi d'acció es diu, precisament radi de Van der Waals. Per cert, que el Johannes Diderik Van der Waals es va portar el Premi Nobel de Física de 1910.

Aquestes forces són les responsables de molts fenòmens físics i químics com l'adhesió, el fregament, la difusió, la tensió superficial i la viscositat.

Però avui volia parlar-vos, sobretot, de què succeeix quan ens rentem les mans. Si tenim les mans greixoses i les rentem només amb aigua gairebé no aconseguim res, però si afegim detergent queden netes. Bé, com funcionen els detergents que són capaços de barrejar-se tant amb l'aigua com amb el greix quan tots dos, a primera vista, són incompatibles?

Ja l'Irving Langmuir, al voltant de 1930, es va adonar que als materials tipus detergent els agrada estar a la superfície de l'aigua perquè les seves molècules tenen extrems químicament diferents. Un d'aquests extrems és "hidrofílic" o amant de l'aigua: li agrada estar amb l'aigua; l'altre és "hidrofòbic": que repel·leix o odia l'aigua.

Els científics han acabat tan farts d'aquestes paraules que diuen als extrems cap i cua (al cap amb el bec toca l'aigua y la cua no). Quan barrejem el detergent amb l'aigua i removem la barreja, unes quantes molècules es quedaran a la superfície i altres es quedaran dins de l'aigua.

Si es queden a la superfície, els caps tendeixen a situar-se al costat de l'aigua i les cues cap a fora quedant estretament agrupades.

Anecs amb els caps a l'aigua i les cues fora

Les que romanin sota la superfície de l'aigua tenen dues opcions. Una d'elles és unir totes les cues de manera que en contacte amb l'aigua només quedin les caps. És el que es diu una micela.

MIcela

Al centre d'aquesta micela se situen les partícules de greix. Com les miceles tenen la part hidrofílica externa en contacte amb l'aigua es dissolen amb ella. Això és el que passa quan ens rentem les mans. Les dones de la neteja són, en aquest cas, unes químiques de primera.

Un altra manera de comportar-se els detergents a l'aigua és formar una bicapa:

Bicapa

La part central de les bicapae està còmoda per tenir només la cap tocant amb l'aigua. El problema està als extrems que poden posar-se en contacte enter ells forman't-se llavors el que es coneix com un liposoma.

Liposoma

La diferència més remarcable entre les miceles i els liposomes és que les miceles porten al seu interior substàncies solubles en oli i els liposomes porten substàncies solubles en aigua.

Les parets de les bombolles de sabó no són una altra cosa que una doble capa de sabó o detergent amb les cues orientades cap a l'aire i els caps en contacte també amb una finíssima capa d'aigua, que, a més, s'evapora amb facilitat i dóna com a resultat la pèrdua de l'estructura i la ruptura de la bombolla a pocs segons que s'ha format.

Per descomptat, totes aquestes coses estan íntimament relacionades amb la geometria molecular, és a dir, la forma que tenen les molècules a l'espai. Us poso dues imatges molt significatives en les que es poden veure els resultats de tenir el cap igual que la cua o el cap més gran que la cua.

Diferències per geometria molecular

Estem al 1757, en una travessia marítima on viatjava el Benjamin Franklin. Va observar que les esteles de dos dels vaixells del grup eren llises mentre que la que deixava el seu vaixell i la resta eren encrespades. Va anar al capità a explicar-li aquest fenomen. La resposta no es va fer esperar: Els cuiners, suposo, han d'haver estat buidant les seves greixoses aigües pels embornals i han greixat una mica els costats d'aquests vaixells.

Però el Franklin va pensar que en realitat l'oli afectava a l'aigua i no als vaixells. Va comprovar aquesta idea durant 17 anys i va culminar en un estany en el Claphmam Common de Londres. El vent arrissava l'aigua quan va abocar una cullerada d'oli d'oliva a la superfície. Amb les seves pròpies paraules:

Encara que no era més que una culleradeta, l'oli va produir una calma instantània en un espai de diverses iardes quadrades, calma que es va propagar de manera sorprenent i es va estendre gradualment (…) fent que tota aquella part de l'estany es tornés tan llisa com un mirall.

Ai!, Franklin. Volies calmar les onades però el que no sabies és que aquest mateix experiment s'utilitzaria més tard per calcular el gruix de les molècules. Avui dia sabem que un pel·lícula oliosa s'estén formant una capa d'una molècula de longitud que romanen unides gràcies a les forces de Van der Waals.

De fet, 116 anys més tard, Lord Raileigh va repetir l'experiment en un bany amb un volum d'oli acuradament mesurat i col·locant peces de càmfora flotants perquè marquessin els límits de la pel·lícula. Va arribar a la conclusió que el gruix de la molècula era 1,6 nanòmetres (1,6 milionèssimes parts d'1 mm). Amb aquesta informació es va poder saber que la cullereta del Franklin havia de tenir un volum d'uns 3 ml, el que equival a una de te georgiana de l'època.

D'aquí a fer un autèntic instrument científic amb el qual mesurar longitud de molècules va haver de fer-ho el propi Irving Langmuir, en 1935.

Deu n'hi do per unes forces febles, oi?

 

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.