2.8
Intermolecular Forces
Atomen en moleculen interageren via bindingen (of krachten): intramoleculair en intermoleculair. De krachten zijn elektrostatisch omdat ze voortkomen…
Intermoleculaire krachten, die tussen moleculen bestaan, zijn afkomstig van elektrostatische interacties tussen ladingen, gedeeltelijke ladingen en tijdelijke ladingen. Alle moleculen produceren tijdelijke ladingen. Vanwege de variërende verdeling van elektronen, resulteert een hogere elektronendichtheid in een gebied van de elektronenwolk in een instantane dipool of een tijdelijke dipool.
Dit induceert vervolgens een andere instantane dipool in het naburige molecuul. Het domino-effect van dipolen veroorzaakt zwakke intermoleculaire aantrekkingskrachten, dispersiekrachten genaamd, die tussen alle moleculen bestaan, of ze nu polair of niet-polair zijn. Sommige covalente verbindingen, zoals water, vertonen bijvoorbeeld elektronenrijke en elektronenarme gebieden die worden veroorzaakt door de verschillen in elektronegativiteit van de atomen.
De ongelijke verdeling van gedeelde elektronen en de moleculaire vorm van de verbinding creëren permanente partiële ladingen, wat resulteert in een permanente dipool in de verder neutrale verbinding, waardoor deze polair wordt. Moleculen met permanente dipolen ook wel polaire verbindingen genoemd richten zich op elkaar via dipool-dipoolkrachten, waarbij het positieve uiteinde van één molecuul elektrostatisch in wisselwerking staat met het negatieve uiteinde van het naburige molecuul. Als een polaire verbinding een waterstofatoom bevat dat covalent is gebonden aan een klein, sterk elektronegatief atoom zoals fluor, zuurstof of stikstof, hebben de atomen de neiging grotere partiële ladingen te vertonen.
Bijgevolg werkt het waterstofatoom in F-H-O-H-of N-H-bindingen sterk samen met het elektronegatieve atoom op zijn buur door een speciaal type dipool-dipoolkracht, een waterstofbrug genaamd. Met name waterstofbruggen zijn sterker dan dipool-dipoolkrachten, en verbindingen die waterstofbruggen kunnen vormen, vertonen hogere smelt-en kookpunten. De drie intermoleculaire krachten dispersie, dipool dipool en waterstofbruggen zijn, in vergelijking met intramoleculaire krachten, relatief zwak, met verschillende sterktes.
Ze worden gezamenlijk geclassificeerd als Vanderwaalskrachten. Hoewel er verspreidingskrachten aanwezig zijn tussen alle moleculen, polair of niet-polair, bestaan dipool-dipoolkrachten en waterstofbruggen alleen rond polaire moleculen. Exclusief voor oplossingen is de ion-dipoolkracht, de sterkste intermoleculaire kracht.
Wanneer een ionische verbinding zoals natriumchloride wordt opgelost in een polair oplosmiddel zoals water, interageren de gedissocieerde ionen met de dipolen van het oplosmiddel via sterke ion-dipoolkrachten. Hier associëren de kationen zich met de negatieve uiteinden van de watermoleculen, terwijl de anionen een interactie aangaan met de positieve uiteinden.
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.