Superficie de Van der Waals

La superficie de van der Waals de una molécula es una representación abstracta o modelo de dicha molécula, que ilustra, en términos generales, dónde podría ubicarse una superficie para la molécula basándose en los límites de los radios de van der Waals para átomos individuales, y representa una superficie a través de la cual se puede concebir la interacción de la molécula con otras moléculas. También conocida como envoltura de van der Waals, la superficie de van der Waals recibe su nombre de Johannes Diderik van der Waals , físico teórico y termodinámico neerlandés que desarrolló una teoría para proporcionar una ecuación de estado líquido-gas que explicaba el volumen no nulo de átomos y moléculas, y la fuerza de atracción que exhiben al interactuar (construcciones teóricas que también llevan su nombre). Por lo tanto, las superficies de van der Waals son una herramienta utilizada en las representaciones abstractas de moléculas, ya sea a través de cálculos manuales, modelos físicos de madera o plástico, o digitalmente, mediante software de química computacional . En términos prácticos, los modelos CPK , desarrollados y nombrados en honor a Robert Corey , Linus Pauling y Walter Koltun , ^{[ 3 ]} fueron los primeros modelos moleculares físicos ampliamente utilizados basados ​​en radios de van der Waals, y permitieron un amplio uso pedagógico y de investigación de un modelo que muestra las superficies de van der Waals de las moléculas.

Relacionadas con el concepto del título están las ideas de volumen de van der Waals , V _w , y área superficial de van der Waals, abreviadas de diversas maneras como A _w , vdWSA, VSA y WSA. El área superficial de van der Waals es una concepción abstracta del área superficial de átomos o moléculas a partir de una estimación matemática, ya sea calculándola a partir de primeros principios o integrando sobre el volumen de van der Waals correspondiente. En el caso más simple, para un gas monoatómico esférico, es simplemente el área superficial calculada de una esfera con un radio igual al radio de van der Waals del átomo gaseoso:

${\displaystyle A_{\rm {w}}=4\pi r_{\rm {w}}^{2}}$.

El volumen de van der Waals , un tipo de volumen atómico o molecular, 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. Se puede calcular para átomos si se conoce el radio de van der Waals, y para moléculas si se conocen los radios de sus átomos y las distancias y ángulos interatómicos. Como se mencionó anteriormente, en el caso más simple, para un gas monoatómico esférico, V _w es simplemente el volumen calculado de una esfera con un radio igual al radio de van der Waals del átomo gaseoso:

${\displaystyle V_{\rm {w}}={4 \over 3}\pi r_{\rm {w}}^{3}}$.

Para una molécula, V _w es el volumen encerrado por la superficie de van der Waals ; por lo tanto, el cálculo de V _w presupone la capacidad de describir y calcular una superficie de van der Waals. Los volúmenes de van der Waals de las moléculas son siempre menores que la suma de los volúmenes de van der Waals de sus átomos constituyentes, debido a que las distancias interatómicas resultantes del enlace químico son menores que la suma de los radios atómicos de van der Waals. En este sentido, una superficie de van der Waals de una molécula diatómica homonuclear puede verse como una superposición gráfica de las dos superficies esféricas de van der Waals de los átomos individuales, al igual que para moléculas más grandes como el metano, el amoníaco, etc. (véanse las imágenes).

Los radios y volúmenes de van der Waals pueden determinarse a partir de las propiedades mecánicas de los gases (el método original, la determinación de la constante de van der Waals ), del punto crítico (p. ej., de un fluido), de mediciones cristalográficas del espaciado entre pares de átomos no enlazados en cristales, o de mediciones de propiedades eléctricas u ópticas (es decir, polarizabilidad o refractividad molar ). En todos los casos, las mediciones se realizan en muestras macroscópicas y los resultados se expresan como cantidades molares . Los volúmenes de van der Waals de un solo átomo o molécula se obtienen dividiendo los volúmenes determinados macroscópicamente por la constante de Avogadro . Los distintos métodos dan valores de radio similares, pero no idénticos, generalmente dentro de 1–2 Å (100–200 pm ). Los valores tabulados útiles de los radios de van der Waals se obtienen tomando una media ponderada de varios valores experimentales diferentes, y, por esta razón, se observará que diferentes tablas presentan valores diferentes para el radio de van der Waals del mismo átomo. Además, se ha argumentado que el radio de van der Waals no es una propiedad fija de un átomo en todas las circunstancias, sino que varía con el entorno químico del átomo. ^{[ 2 ]}  

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  Amoníaco, NH ₃ , representación espacial basada en fuerzas de van der Waals, nitrógeno (N) en azul, hidrógeno (H) en blanco.
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  Fosfina, PH ₃ , representación espacial de relleno basada en van der Waals, modelo de bolas y varillas superpuesto, fósforo (P) en naranja, hidrógeno (H) en blanco.
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  Un modelo de relleno espacial del n- octano , el hidrocarburo de cadena lineal (normal) compuesto por 8 carbonos y 18 hidrógenos, fórmula: CH ₃ CH ₂ (CH ₂ ) ₄ CH ₂ CH ₃ o C₈ H_18. Nótese que el representante mostrado es de unasola"posición"conformacionalde una población de moléculas que, debido a las bajasde energía de Gibbspara la rotación alrededor de sus enlaces carbono-carbono (lo que le da a la "cadena" de carbono una gran flexibilidad), normalmente está compuesta por un gran número de conformaciones diferentes de este tipo (por ejemplo, en solución).
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  Ejemplo de un modelo tridimensional de relleno espacial basado en fuerzas de van der Waals de una molécula compleja, el THC , el principio activo de la marihuana medicinal. Es posible que tenga que hacer clic en la imagen para ver la rotación.
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  Sulfuro de hidrógeno, H₂S _, representación espacial basada en fuerzas de van der Waals, modelo de esferas y varillas superpuesto, azufre (S) en amarillo, hidrógeno (H) en blanco sombreado en azul. También muestra en su superficie la superficie de potencial electrostático (calculada para la molécula de forma desconocida), utilizando herramientas de química computacional . Está sombreada desde azul para las áreas electropositivas hasta rojo para las áreas electronegativas .

• Superficie molecular (desambiguación)
• Fuerza de van der Waals
• molécula de van der Waals
• radio de van der Waals
• Deformación de van der Waals

• DC Whitley, Gráficos de superficie de van der Waals y forma molecular , Journal of Mathematical Chemistry , Volumen 23, Números 3-4, 1998, pp.  377–397(21).
• M. Petitjean, Sobre el cálculo analítico de superficies y volúmenes de van der Waals: algunos aspectos numéricos , Journal of Computational Chemistry , Volumen 15, Número 5, 1994, pp.  507–523.

• Análisis de sensibilidad a la velocidad (VSA) para diversas moléculas , realizado por Anton Antonov en el Proyecto de Demostraciones de Wolfram en 2007.
• Radios de van der Waals Archivados el 3 de diciembre de 2007 en Wayback Machine , Glosario de Biología Estructural, Biblioteca de Imágenes de Macromoléculas Biológicas.
• Cálculo analítico de superficies y volúmenes de van der Waals.