Todo tiene dos lados. Esta es la ley de la naturaleza que se ha seguido desde el principio de los tiempos. De hecho, el nacimiento de nuestro universo se produjo por la división de la nada en materia y antimateria. Estas dos formas opuestas de energía son la base de cada sustancia que existe bajo las leyes de nuestro mundo. Nuestro planeta, al ser una de estas entidades, también sigue esta ley de los opuestos.
¿Por qué esto es tan? Bueno, la existencia de estos lados opuestos comienza en una escala increíblemente pequeña: el nivel molecular. Todos los átomos y moléculas que constituyen la materia son dipolares.
¿Qué es un dipolo?
Hace unas semanas, dos de mis muy buenos amigos estaban teniendo un debate saludable sobre el verdadero significado de la palabra dipolo. Sam comenzó su versión del argumento señalando que la palabra dipolo se compone de dos palabras más pequeñas: 'di', que significa 'dos', y 'polo', que significa 'final o extremo de algo'. Bill se unió a la discusión citando a Merriam-Webster, que define el dipolo como un par de cargas eléctricas iguales y opuestas que están separadas por una distancia muy pequeña.
Sin embargo, Sam señaló que los dos extremos de un imán a menudo se denominan dipolos magnéticos, por lo que la palabra dipolo en realidad representa sustancias magnéticas. Entonces… ¿quién tiene razón?
Para ser justos, ninguno de los dos está equivocado. Un dipolo es una sustancia que incorpora dos cargas iguales y opuestas (poseer una carga puede considerarse como poseer cierta cantidad de energía). La carga puede ser eléctrica, magnética o de cualquier otro tipo. En este contexto, podemos diferenciar entre un dipolo eléctrico y uno magnético.
¿Cuál es la diferencia entre un dipolo eléctrico y uno magnético?
Un dipolo eléctrico está formado por una sustancia que posee dos cargas eléctricas iguales de signo opuesto separadas por una pequeña distancia. El mejor ejemplo de un dipolo eléctrico es un átomo con un electrón y un protón (Hidrógeno). El protón actúa como fuente de carga positiva, mientras que el electrón posee una cantidad igual de carga negativa.
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| Átomo de hidrógeno: un dipolo eléctrico simple. |
Un dipolo magnético es bastante similar a un dipolo eléctrico, excepto que está compuesto de cargas magnéticas. Un imán de barra simple es el mejor ejemplo de un dipolo magnético. Un extremo de la barra constituye el polo norte, mientras que el otro extremo actúa como el polo sur. La cantidad de carga en ambos extremos de una barra uniforme sería idéntica. El polo norte atrae al sur y viceversa.
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| Imán de barra. |
¿Qué es un momento dipolar?
Un momento dipolar es una cantidad medible, al igual que la masa, el volumen o la velocidad. Es la característica por la cual las sustancias dipolares pueden ser cuantificadas y diferenciadas.
Fórmula del momento dipolar
La fórmula para calcular el momento dipolar de un sistema simple con dos cargas establece que el momento dipolar es el producto de la magnitud de la carga y la distancia que separa las cargas opuestas. Los sistemas más complejos tienen fórmulas más complejas, todas las cuales se derivan de la básica.
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| Medición del momento dipolar. |
Por ejemplo, considere un sistema que consta de dos cargas eléctricas opuestas de 1 culombio cada una, separadas por una distancia de 1 nanómetro. El momento dipolar de tal sistema sería de 10 −9 coulomb-metro.
Coulomb-metro es una unidad SI que se aplica para el momento dipolar eléctrico. Sin embargo, los momentos dipolares moleculares son demasiado pequeños para medirlos con eficacia con esta unidad.
Por lo tanto, para medir los momentos dipolares de los enlaces moleculares se utiliza una unidad denominada Debye (D) (1D=3,33564×10 −30 C·m).
A nivel atómico, los dipolos se producen debido a una distribución de carga no uniforme. Considere un átomo con un mar de electrones que giran alrededor de los protones centrales en órbitas fijas pero en orden aleatorio. Ahora, pausa el escenario en cualquier instante de tiempo y selecciona un par de protones y electrones. ¿Que ves? Un dipolo está formado por el par de especies con cargas iguales y opuestas. De manera similar, se formarán otros dipolos, igual al número de electrones en el átomo y sus momentos dipolares se combinarán y darán como resultado un momento dipolar neto de la especie.
¿Cuál es la diferencia entre un dipolo permanente y uno temporal?
Los dipolos permanentes surgen debido a la diferencia en la electronegatividad (atracción relativa hacia los electrones) entre dos átomos dentro de una molécula.
Consideremos el fluoruro de hidrógeno como ejemplo. La electronegatividad del flúor es mayor que la del hidrógeno y, como resultado, el flúor atrae todos los electrones hacia sí mismo y se convierte en el polo negativo. El hidrógeno, a su vez, tiene un exceso de protones y se convierte en el polo positivo. Estas moléculas con momentos dipolares permanentes se denominan moléculas polares.
Los dipolos instantáneos son dipolos temporales. Dentro de un átomo, los electrones giran alrededor del núcleo en trayectorias fijas, pero su movimiento es aleatorio. A veces, estos electrones se concentran más en una región particular que en otra. Esto da lugar a un dipolo instantáneo o temporal. El mecanismo es similar al explicado en la formación de dipolos atómicos.
Estos dipolos son de pequeña magnitud y solo son relevantes durante un período de tiempo muy corto. Sin embargo, juegan un papel importante en muchos fenómenos moleculares. Las fuerzas de dispersión de London observadas en varias moléculas no polares como el oxígeno y el dióxido de carbono son sus mejores ejemplos.
¿Qué es un cuadrupolo?
A medida que los investigadores de todo el mundo descubrían más y más acerca de los dipolos, se enfrentaban a una curiosa ambigüedad: ¿es un dipolo el límite? Sus preguntas pronto fueron respondidas con el descubrimiento de un cuadrupolo.
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| Un cuadrupolo eléctrico simple. |
Un cuadrupolo consta de cuatro monopolos diferentes de signos opuestos (dos de cada uno) y de igual magnitud dispuestos en una distribución perfectamente simétrica para representar un sistema ideal. Los monopolos pueden ser una carga eléctrica, polos magnéticos o incluso una simple masa. Como ya se mencionó, la masa es una entidad polar. Lo opuesto a masa o materia se llama antimateria, y puedes leer más sobre antimateria en este artículo .
Para entender mejor los cuadrupolos, veamos un ejemplo.
Considere dos cargas eléctricas positivas y dos negativas. Coloca estas cargas en las esquinas de un cuadrado de manera alterna. El resultado final se parecería a lo que se muestra arriba en la figura. La carga neta total de este sistema sería cero, al igual que su momento dipolar, ya que los dos dipolos opuestos se anulan entre sí.
Sin embargo, el momento cuadripolar de este sistema nunca puede reducirse a cero, independientemente de la orientación de las partículas. ¡La razón exacta de este fenómeno todavía se está investigando en todo el mundo!
Conclusión
De lo que hemos aprendido sobre los dipolos hasta ahora, una cosa está bastante clara, son muy simples en principio e igualmente complejos en su funcionamiento. Muchos de los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor pueden atribuirse a la naturaleza dipolar de los átomos y las moléculas. Estos incluyen cosas simples como la fluidez del agua, así como cosas complejas como la relajación de los tejidos biológicos y otras cosas que están fuera del alcance de este artículo. En conclusión, aunque su función no se note en la vida diaria, los dipolos son muy importantes para nosotros.
