2.8
כוחות בין-מולקולריים
אטומים ומולקולות מקיימים אינטראקציה באמצעות קשרים (או כוחות): תוך מולקולרי ובין מולקולרי. הכוחות הם אלקטרוסטטיים מכיוון שהם נובעים מאינטראקציות (מושכו…
כוחות בין-מולקולריים המתקיימים בין מולקולות נובעים מאינטראקציות אלקטרוסטטיות בין מטענים, מטענים חלקיים ומטענים זמניים. כל המולקולות מייצרות מטענים זמניים. בשל חלוקה משתנה של אלקטרונים, צפיפות אלקטרונים גבוהה יותר באזור אחד של ענן האלקטרונים מובילה לדיפול מיידי או לדיפול זמני.
זה גורם לדיפול נוסף מיידי במולקולה השכנה. אפקט הדומינו של הדיפולים יוצר כוחות משיכה בין-מולקולריים חלשים שנקראים כוחות פיזור, המתקיימים בין כל המולקולות, בין אם הן קוטביות או לא-קוטביות. בחלק מהתרכובות הקוולנטיות, כמו מים לדוגמה, יש אזורים עשירים באלקטרונים ואזורים דלים באלקטרונים, כתוצאה מהבדלי אלקטרושליליות באטומים.
הפיזור הלא שווה של אלקטרונים משותפים והצורה המולקולרית של התרכובת יוצרת מטענים חלקיים קבועים, מה שמוביל לדיפול קבוע בתרכובת הניטרלית מבחינות אחרות, וכך התרכובת הופכת לפולרית. מולקולות עם דיפולים קבועים, הנקראות גם תרכובות קוטביות, מסתדרות על פי כוחות דיפול-דיפול, כשהקצה החיובי של מולקולה אחת יוצר אינטראקציה אלקטרוסטטית עם הקצה השלילי של המולקולה השכנה. אם תרכובת קוטבית המכילה אטום מימן שקשור קוולנטית לאטום קטן בעל מטען אלקטרושליליות גבוהה כמו פלואור, חמצן, או חנקן, האטומים נוטים להציג חלוקת מטען גדולה יותר.
כתוצאה מכך, אטום המימן ב-F-H, O-H או בקשרי N-H יוצר אינטראקציה חזקה עם האטום האלקטרו-שלילי על שכנו באמצעות סוג מיוחד של כוח דיפול-דיפול הנקרא קשר מימן. יש לציין כי קשרי מימן חזקים יותר מכוחות דיפול-דיפול ותרכובות המסוגלות ליצור קשרי מימן מאופיינות בנקודות התכה ורתיחה גבוהות יותר. שלושת הכוחות הבין מולקולריים:פיזור, דיפול-דיפול וקשרי מימן, בהשוואה לכוחות תוך-מולקולריים הם כוחות חלשים יחסית, בעלי עוצמות משתנות.
באופן קולקטיבי, הם מוגדרים ככוחות ואן דר ואלס. בעוד שכוחות פיזור מתקיימים בין כל המולקולות, בין אם הן קוטביות או לא קוטביות, כוחות דיפול-דיפול וקשרי מימן מתקיימים רק סביב מולקולות קוטביות. בתמיסות מתקיים כוח ייחודי כוח יון-דיפול, שהוא הכוח הבין-מולקולרי החזק ביותר.
כשתרכובת יונית כמו נתרן כלורי מומסת בממס קוטבי כמו מים, היונים המנותקים מתקשרים עם הדיפולים של הממס באמצעות כוחות יון-דיפול חזקים. כאן הקטיונים מתקשרים עם הקצוות השליליים של מולקולות המים בעוד האניונים מתקשרים עם הקצוות החיוביים.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the main types of intermolecular forces?
Intermolecular forces include hydrogen bonds, van der Waals forces, dipole-dipole interactions, and London dispersion forces. These noncovalent attractions in biomolecules govern how molecules interact and organize in biological systems. Understanding these forces is essential for comprehending protein folding, molecular recognition, and cellular function.
Q2: How do hydrogen bonds differ from other intermolecular forces?
Hydrogen bonds form between a hydrogen atom bonded to an electronegative atom and another electronegative atom. They are stronger than van der Waals forces and dipole-dipole interactions but weaker than covalent bonds. Hydrogen bonding is crucial for DNA base pairing and protein secondary structure stabilization.
Q3: What causes London dispersion forces to occur between molecules?
London dispersion forces arise from temporary dipoles created by electron movement within nonpolar molecules. These weak attractions occur when electron clouds shift, creating momentary positive and negative regions. Though individually weak, London dispersion forces collectively influence molecular behavior and are significant in hydrophobic interactions within proteins.
Q4: Why are dipole-dipole interactions important in biological molecules?
Dipole-dipole interactions occur between polar molecules with permanent dipoles, such as those containing carbonyl or hydroxyl groups. These attractions are stronger than London dispersion forces and help stabilize molecular structures and interactions. They play a key role in solubility, molecular recognition, and the organization of cellular components.
Q5: How do van der Waals forces affect protein structure and function?
Van der Waals forces, encompassing dipole-dipole interactions and London dispersion forces, contribute to protein stability through cumulative weak attractions. These forces help maintain tertiary structure and facilitate molecular packing in protein cores. Though individually weak, their collective effect is essential for proper protein folding and biological activity.
Q6: What is the relationship between intermolecular forces and molecular solubility?
Intermolecular forces determine whether molecules dissolve in solvents based on compatibility of attractions. Polar solvents dissolve polar solutes through hydrogen bonding and dipole-dipole interactions, while nonpolar solvents dissolve nonpolar solutes through London dispersion forces. This principle underlies cellular transport and the behavior of biomolecules in aqueous environments.