11.3: Forze intermolecolari

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 Openstax, Chemistry 2e, Chapter 10: Liquids and Solids.

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.