Name: forces between molecules
Uploaded: 2020-11-23T11:47:33.000Z
Duration: 3 min 13 s
Channel: JoVE

Le forze intermolecolari, che esistono fra le molecole, hanno origine da interazioni elettrostatiche fra cariche, cariche parziali e cariche temporanee. Tutte le molecole producono cariche temporanee. Per via della distribuzione variabile degli elettroni, una più elevata densità di elettroni in una regione della nuvola di elettroni si traduce in un dipolo istantaneo o temporaneo.

Questo successivamente induce un altro dipolo istantaneo nella molecola vicina. L'effetto domino dei dipoli dà origine a deboli forze attrattive intermolecolari dette forze di dispersione, che esistono fra tutte le molecole, sia che siano polari che non polari. Alcuni composti covalenti, come per esempio l'acqua, mostrano regioni ricche di elettroni e povere di elettroni causate dalle differenze di elettronegatività degli atomi.

La distribuzione non uniforme degli elettroni condivisi e la forma molecolare del composto creano cariche parziali permanenti, risultando in un dipolo permanente nel composto altrimenti neutro rendendolo polare. Le molecole con dipoli permanenti detti anche composti polari si allineano attraverso forze dipolo-dipolo, dove l'estremità positiva di una molecola interagisce elettrostaticamente con l'estremità negativa della molecola vicina. Se un composto polare contiene un atomo di idrogeno legato in modo covalente a un piccolo atomo altamente elettronegativo come fluoro, ossigeno o azoto, gli atomi tendono a mostrare cariche parziali più grandi.

Di conseguenza, l'atomo di idrogeno nei legami F-H, O-H o N-H interagisce fortemente con l'atomo elettronegativo sul suo vicino attraverso un tipo speciale di forza dipolo-dipolo chiamata legame idrogeno. In particolare, i legami idrogeno sono più forti delle forze dipolo-dipolo, e i composti in grado di formare legami idrogeno mostrano punti di fusione e di ebollizione più elevati. Le tre forze intermolecolari dispersione, dipolo-dipolo e legami idrogeno sono, paragonati alle forze intramolecolari, relativamente deboli, con forze variabili.

Collettivamente, sono classificati come Forze di van der Waals. Benché le forze di dispersione siano presenti fra tutte le molecole, polari o non polari, le forze dipolo-dipolo e i legami idrogeno esistono solo intorno alle molecole polari. Esclusiva per le soluzioni è la forza ione-dipolo, che è la più potente forza intermolecolare.

Quando un composto ionico come il cloruro di sodio viene disciolto in un solvente polare come l'acqua, gli ioni dissociati interagiscono con i dipoli del solvente tramite forti forze ione-dipolo. Qui, i cationi si associano alle estremità negative delle molecole d'acqua, mentre gli anioni interagiscono con le estremità positive.

forze intermolecolari

Intermolecular Forces

Atomi e molecole interagiscono attraverso legami (o forze): intramolecolari e intermolecolari. Le forze sono elettrostatiche poiché derivano da interazioni (attraenti o repulsive) tra specie cariche (cariche permanenti, parziali o temporanee) ed esistono con intensità variabili tra ioni e molecole polari, non polari e neutre. I diversi tipi di forze intermolecolari sono ione-dipolo, dipolo-dipolo, legami idrogeno e dispersione; tra questi, esistono dipolo-dipolo, legami idrogeno e forze di dispersione tra atomi e molecole neutri, sono note collettivamente come forze di van der Waals.

Forze dipolo-dipolo

Le molecole polari hanno una carica parziale positiva su un'estremità e una carica parziale negativa sull'altra estremità della molecola: una separazione di carica chiamata dipolo. In una molecola polare come HCl, l'atomo di Cl più elettronegativo porta la carica negativa parziale, mentre l'atomo di H meno elettronegativo porta la carica positiva parziale. Una forza attrattiva tra le molecole di HCl risulta dall'attrazione tra l'estremità positiva di una molecola di HCl e l'estremità negativa di un'altra. Questa forza attrattiva è chiamata attrazione dipolo-dipolo: la forza elettrostatica tra l'estremità parzialmente positiva di una molecola polare e l'estremità parzialmente negativa di un'altra.

Forze di dispersione

Una delle tre forze di van der Waals è presente in tutte le fasi condensate, indipendentemente dalla natura degli atomi o delle molecole che compongono la sostanza. Questa forza di attrazione è chiamata forza di dispersione di Londra in onore del fisico americano di origine tedesca Fritz London che, nel 1928, la spiegò per primo. Questa forza viene spesso definita semplicemente forza di dispersione. Poiché gli elettroni di un atomo o di una molecola sono in costante movimento (o, in alternativa, la loro posizione è soggetta a variabilità quantomeccanica), in qualsiasi momento un atomo o una molecola può sviluppare un dipolo temporaneo e istantaneo se i suoi elettroni sono distribuiti asimmetricamente. La presenza di questo dipolo può, a sua volta, distorcere gli elettroni di un atomo o di una molecola vicina, producendo un dipolo indotto. Questi due dipoli temporanei e rapidamente fluttuanti determinano quindi un’attrazione elettrostatica relativamente debole tra le specie, la cosiddetta forza di dispersione.

Le forze di dispersione che si sviluppano tra gli atomi di molecole diverse possono attrarre le due molecole l'una verso l'altra. Le forze sono tuttavia relativamente deboli e diventano significative solo quando le molecole sono molto vicine. Atomi e molecole più grandi e pesanti mostrano forze di dispersione più forti rispetto ad atomi e molecole più piccoli e leggeri. F_2 e Cl_2 sono gas a temperatura ambiente (che riflettono forze attrattive più deboli); Br_2 è un liquido e I_2 è un solido (che riflette forze attrattive più forti).

Legame idrogeno

Il fluoruro di nitrosile (ONF, peso molecolare 49 amu) è un gas a temperatura ambiente, mentre l'acqua (H_2O, peso molecolare 18 amu) è un liquido, anche se ha un peso molecolare inferiore. Entrambe le molecole hanno più o meno la stessa forma e ONF è la molecola più pesante e più grande. Si prevede pertanto che subirà forze di dispersione più significative. Inoltre, questa differenza nei punti di ebollizione non può essere il risultato di differenze nei momenti di dipolo delle molecole. Entrambe le molecole sono polari e mostrano momenti di dipolo comparabili. La grande differenza tra i punti di ebollizione è dovuta a un'attrazione dipolo-dipolo particolarmente forte che può verificarsi quando una molecola contiene un atomo di idrogeno legato a un atomo di fluoro, ossigeno o azoto (i tre elementi più elettronegativi). La grande differenza di elettronegatività tra l'atomo di H (2,1) e l'atomo a cui è legato (4,0 per un atomo di F, 3,5 per un atomo di O o 3,0 per un atomo di N), combinata con le dimensioni molto piccole di un atomo L'atomo di H e le dimensioni relativamente piccole degli atomi di F, O o N portano a cariche parziali altamente concentrate con questi atomi. Le molecole con porzioni FH, OH o NH sono fortemente attratte da porzioni simili nelle molecole vicine, un tipo particolarmente forte di attrazione dipolo-dipolo chiamata legame idrogeno. Esempi di legami idrogeno includono HF⋯HF, H_2O⋯HOH e H_3N⋯HNH_2, in cui i legami idrogeno sono indicati da punti.

Forze ione-dipolo

Una forza ione-dipolo è l'attrazione elettrostatica tra uno ione e un dipolo. Queste forze sono comuni nelle soluzioni e svolgono un ruolo importante nella dissoluzione dei composti ionici nell'acqua.

Quando un composto ionico come KCl viene aggiunto a un solvente polare come l'acqua, gli ioni nel solido si separano e si disperdono uniformemente. Le forze ione-dipolo attraggono l'estremità positiva (idrogeno) delle molecole di acqua polare verso gli ioni cloruro negativi sulla superficie del solido e attraggono le estremità negative (ossigeno) verso gli ioni positivi di potassio. Le molecole d'acqua circondano i singoli ioni K^+ e Cl^−, riducendo le forti forze interioniche che legano insieme gli ioni (in un solido) e lasciando che si spostino in soluzione come ioni solvatati. Il superamento dell'attrazione elettrostatica consente il movimento indipendente di ciascuno ione idratato in una soluzione diluita mentre gli ioni passano da posizioni fisse nel composto non disciolto a ioni solvatati ampiamente dispersi in soluzione.

La forza delle interazioni ione-dipolo è direttamente proporzionale a i) la carica dello ione e ii) l'entità del dipolo delle molecole polari.

Questo testo è adattato da <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/10-introduction">Openstax, Chemistry 2e, Chapter 10: Liquids and Solids</a>.

Forze intermolecolari

Atomi e molecole interagiscono attraverso legami (o forze): intramolecolari e intermolecolari. Le forze sono elettrostatiche in quanto derivano da interazioni ...

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forces between molecules

Forces between molecules help explain why matter behaves the way it does. These intermolecular attractions act between separate molecules, not within a single molecule. They are often much weaker than the bonds that hold atoms together inside a molecule, but they still affect many properties of liquids and solids.

Several common types of intermolecular forces are covered in this topic. These include dipole-dipole forces, hydrogen bonding, ion-dipole forces, and van der Waals forces. Van der Waals forces are also called dispersion forces or London dispersion forces.

These attractions help determine how molecules stick together and how they move past one another. In liquids, they influence flow and boiling behavior. In solids, they help shape the structure and stability of the material.

Forces Between Molecules

the periodic table and organismal elements

the-periodic-table-and-organismal-elements

Element Groups in Living Things

Living things are built from elements found on the periodic table. This page focuses on the elements that make up organisms and how they are grouped in biology. These organismal elements are usually divided into major, minor, and trace categories. Major elements make up most of the mass of living matter. Minor elements are needed in smaller amounts. Trace elements are present in very small amounts but still play important roles. The periodic table helps show where these elements fit and how...

functional groups

Functional Groups in Organic Molecules

Functional groups are the parts of organic molecules that give them specific chemical behavior. They help determine how a compound reacts and what properties it has. In organic chemistry, these groups are used to classify molecules in a clear way. Hydrocarbons are one common class of organic compounds. They contain only carbon and hydrogen. Alcohols, aldehydes, and ketones are other classes that are identified by their functional groups. These groups make each class behave differently from the...

polymers

Polymer Structures and Uses

Polymers are large molecules built from repeating smaller units called monomers. Their long-chain structure gives them many different properties and makes them useful in everyday materials. Polymers can form in two main ways. In addition polymerization, monomers join together without losing any atoms. In condensation polymerization, monomers link while a small molecule is released. These two pathways help explain how many common plastics and related materials are made. The structure of a...

what are lipids?

Lipids in Cells: Fats and Membranes

Lipids are a group of biomolecules found in living things. They are known for their role in energy storage and in building cell membranes. This makes them important in many parts of biology. Fats are one common type of lipid. Other lipids include phospholipids and steroids. Each group has a different structure and a different job in the body. Phospholipids are especially important because they help form cell membranes. Steroids also belong to the lipid group, and they have their own distinct...

structure of lipids

Types of Lipids and Their Structure

Lipids are a major group of biological molecules, and their structure helps explain their different forms. Many lipids are built from fatty acids, which are long hydrocarbon chains with a carboxyl group. The carbon chain is hydrophobic, meaning it does not mix well with water, while the carboxyl group is the acidic end. Triglycerides are one common lipid type. They consist of a glycerol molecule joined to three fatty acid chains. Saturated triglycerides have fatty acids with only single...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrate Structures and Types

Carbohydrates are biomolecules built from carbon, hydrogen, and oxygen. Their chemistry helps explain how simple sugars join together and how larger carbohydrate molecules form. The smallest carbohydrates are monosaccharides, or single sugar units. These can link to make disaccharides, which contain two sugar units, and polysaccharides, which are long chains of many sugar units. Carbohydrates play an important role in biology because they are part of the structures and processes found in...

nucleic acids

Nucleic Acids and Genetic Information

Nucleic acids carry genetic information in cells. They include DNA and RNA, which are made from nucleotide building blocks. These molecules store, copy, and help use the instructions needed for life. DNA is the main long-term storage molecule for genetic information. RNA helps carry and use that information in cells. Together, these nucleic acids connect the code in a cell to the proteins it can make.

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Forces between molecules help explain why matter behaves the way it does. These intermolecular attractions act between separate molecules, not within a single molecule. They are often much weaker than the bonds that hold atoms together inside a molecule, but they still affect many properties of liquids and solids. Several common types of intermolecular forces are covered in this topic. These include dipole-dipole forces, hydrogen bonding, ion-dipole forces, and van der Waals forces. Van der...

noncovalent attractions in biomolecules

How Biomolecules Hold Their Shape

Biomolecules hold their shape through noncovalent attractions. These interactions occur within and between molecules and help control the structure and stability of complexes. They are different from covalent bonds because they do not involve sharing electrons. Four main noncovalent interactions are important in biology: hydrogen bonds, van der Waals forces, ionic bonds, and hydrophobic interactions. Hydrogen bonds form when a hydrogen atom is covalently bonded to a strongly electronegative...

pH Scale and Acid-Base Balance

pH measures how acidic or basic an aqueous solution is. It is a key way to describe the balance between acids and bases in water-based solutions. The pH scale shows this balance with low values for acidic solutions and high values for basic solutions. Neutral solutions fall in the middle of the scale. Understanding pH helps explain how different substances behave in water. It also helps compare solutions that are more acidic, more basic, or neutral.

hydrolysis of atp

ATP Hydrolysis and Energy Release

ATP hydrolysis is a key chemical reaction in cells that releases energy. ATP, or adenosine triphosphate, is the molecule cells use to store and transfer energy for many processes. During hydrolysis, water breaks the bond in ATP’s terminal phosphate group. This reaction converts ATP into ADP, or adenosine diphosphate, and inorganic phosphate. The released energy can then be used to drive cellular work. High school biology students often see ATP hydrolysis as part of energy transfer in living...

key terms and concepts

Explore the main intermolecular attractions, including dipole-dipole forces, hydrogen bonding, ion-dipole forces, and van der Waals forces, for high school chemistry.

Forces Between Molecules | JoVE K12

molecular biology

Le video animazioni di JoVE Core Molecular Biology, organizzate in video lezioni, illustrano i processi molecolari cellulari in maniera chiara e concisa. Inoltre, nei video di "scienziati in azione", i concetti scientifici vengono applicati e dimostrati da ricercatori attraverso esperimenti in laboratorio.

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