11.3: כוחות בין מולקולריים

אטומים ומולקולות מקיימים אינטראקציה באמצעות קשרים (או כוחות): תוך מולקולרי ובין מולקולרי. הכוחות הם אלקטרוסטטיים מכיוון שהם נובעים מאינטראקציות (מושכות או דוחות) בין מינים טעונים (מטענים קבועים, חלקיים או זמניים) ומתקיימים עם עוצמות משתנות בין יונים, מולקולות קוטביות, לא קוטביות ונייטרליות. הסוגים השונים של כוחות בין-מולקולריים הם יון–דיפול, דיפול–דיפול, קשרי מימן ופיזור; ביניהם, דיפו–דיפול, קשרי מימן וכוחות פיזור קיימים בין אטומים ומולקולות ניטרליים והם ידועים ביחד ככוחות ואן דר ואלס.

כוחות דיפול-דיפול

למולקולות קוטביות יש מטען חיובי חלקי בקצה האחד ומטען שלילי חלקי בקצה השני של המולקולה - הפרדה של מטען הנקרא דיפול. במולקולה קוטבית כמו HCl, אטום ה-Cl האלקטרושלילי יותר נושא מטען שלילי חלקי, ואילו אטום ה-H הפחות אלקטרושלילי נושא מטען חיובי חלקי. כוח משיכה בין מולקולות HCl נובע מהמשיכה בין הקצה החיובי של מולקולת HCl אחת לקצה השלילי של האחר. כוח משיכה זה נקרא משיכה דיפול-דיפול - הכוח האלקטרוסטטי בין קצה חיובי חלקי של מולקולה קוטבית אחת לקצה שלילי חלקי של אחרת.

כוחות פיזור

אחד משלושת כוחות ואן דר ואלס קיים בכל השלבים המעובים, ללא קשר לאופי האטומים או המולקולות המרכיבות את החומר. כוח משיכה זה נקרא כוח הפיזור הלונדוני לכבודו של הפיזיקאי האמריקני יליד גרמניה פריץ לונדון, אשר בשנת 1928 הסביר זאת לראשונה. כוח זה מכונה לעתים קרובות פשוט ככוח הפיזור. מכיוון שהאלקטרונים של אטום או מולקולה נמצאים בתנועה קבועה (או, לחילופין, מיקומם נתון לשינויים קוונטיים-מכניים), בכל רגע בזמן, אטום או מולקולה יכולים לפתח דיפול זמני, מיידי, אם האלקטרונים שלו מפוזרים. בצורה אסימטרית. הנוכחות של דיפול זה יכולה, בחזרה, לעוות את האלקטרונים של אטום או מולקולה שכנים, וליצור דיפול מושרה. שני דיפולים זמניים אלה , המתנודדים במהירות, מביאים למשיכה אלקטרוסטטית חלשה יחסית בין המינים - מה שנקרא כוח פיזור.

כוחות פיזור המתפתחים בין אטומים במולקולות שונות יכולים למשוך את שתי המולקולות זו לזו. עם זאת, כוחות חלשים יחסית, הופכים למשמעותיים רק כאשר המולקולות קרובות מאוד. אטומים ומולקולות גדולים וכבדים יותר מפגינים כוחות פיזור חזקים יותר מאשר אטומים ומולקולות קטנים וקלים יותר. F₂ ו- Cl₂ הם גזים בטמפרטורת החדר (המשקפים כוחות משיכה חלשים יותר); Br₂ הוא נוזל, ו-I₂ הוא מוצק (משקף כוחות משיכה חזקים יותר).

קשר מימן

פלואוריד ניטרוסיל (ONF, מסה מולקולרית 49 amu) הוא גז בטמפרטורת החדר, ואילו מים (H₂O, מסה מולקולרית 18 amu) הם נוזל, למרות שיש להם מסה מולקולרית נמוכה יותר. לשתי המולקולות יש בערך אותה צורה, ו-ONF היא המולקולה הכבדה והגדולה יותר. לפיכך, הוא צפוי לחוות כוחות פיזור משמעותיים יותר. בנוסף, הבדל זה בנקודות הרתיחה אינו יכול להיות תוצאה של הבדלים במומנטים הדיפוליים של המולקולות. שתי המולקולות הן קוטביות ומציגות מומנטים דיפוליים דומים. ההבדל הגדול בין נקודות הרתיחה נובע ממשיכה דיפול−דיפול חזקה במיוחד שעלולה להתרחש כאשר מולקולה מכילה אטום מימן הקשור לאטום פלואור, חמצן או חנקן (שלושת היסודות האלקטרושליליים ביותר). ההבדל הגדול מאוד באלקטרושליליות בין אטום H (2.1) לאטום שאליו הוא קשור (4.0 לאטום F, 3.5 לאטום O או 3.0 לאטום N), בשילוב עם הגודל הקטן מאוד של אטום, אטום H והגדלים הקטנים יחסית של אטומי F, O או N, מובילים למטענים חלקיים מרוכזים מאוד עם אטומים אלה. מולקולות עם חלקי F-H, O-H או N-H נמשכות מאוד לחלקים דומים במולקולות סמוכות, סוג חזק במיוחד של משיכה דיפול−דיפול הנקרא קשר מימן. דוגמאות לקשרי מימן כוללות HF⋯HF, H₂O⋯HOH ו-H₃N⋯HNH₂, שבהם קשרי המימן מסומנים בנקודות.

כוחות יון-דיפול

כוח יון–דיפול הוא המשיכה האלקטרוסטטית בין יון לדיפול. כוחות אלו נפוצים בתמיסות וממלאים תפקיד חשוב בהמסה של תרכובות יוניות במים.

כאשר מוסיפים תרכובת יונית כמו KCl לממס קוטבי כמו מים, היונים במוצק נפרדים ומתפזרים באופן אחיד. כוחות יון–דיפול מושכים את הקצה החיובי (מימן) של מולקולות המים הקוטביות אל יוני הכלוריד השליליים על פני המוצק, והם מושכים את הקצוות השליליות (החמצן) אל יוני האשלגן החיוביים. מולקולות המים מקיפות יוני K⁺ ו-Cl^- בודדים, מפחיתות את הכוחות האינטריוניים החזקים הקושרים את היונים יחד (במוצק) ומאפשרות להם לעבור לתמיסה כיונים מומסים. התגברות על המשיכה האלקטרוסטטית מאפשרת תנועה עצמאית של כל יון מומס בתמיסה מדוללת כאשר היונים עוברים ממקומות קבועים בתרכובת הבלתי מומסת ליונים מפוזרים בתמיסה.

החוזק של אינטראקציות יון–דיפול עומד ביחס ישר ל-i) המטען על היון ו-ii) לגודל הדיפול של מולקולות קוטביות.

טקסט זה מותאם מ Openstax, Chemistry 2e, Chapter 10: Liquids and Solids.