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

Siły międzycząsteczkowe, które istnieją między cząsteczkami, pochodzą z oddziaływań elektrostatycznych między ładunkami, ładunkami cząstkowymi i ładunkami tymczasowymi.
Wszystkie cząsteczki wytwarzają ładunki tymczasowe. Ze względu na zmienny rozkład elektronów, wyższa gęstość elektronów w jednym obszarze chmury elektronowej powoduje powstanie dipola chwilowego lub dipola tymczasowego.
To z kolei indukuje kolejny chwilowy dipol w sąsiedniej cząsteczce. Efekt domina dipoli powoduje powstawanie słabych międzycząsteczkowych sił przyciągania zwanych siłami dyspersyjnymi, które występują między wszystkimi cząsteczkami, zarówno polarnymi, jak i niepolarnymi.
Niektóre związki kowalencyjne, takie jak na przykład woda, wykazują obszary bogate w elektrony i ubogie w elektrony spowodowane różnicami w elektroujemności atomów.
Nierównomierny rozkład wspólnych elektronów i kształt molekularny związku tworzą trwałe ładunki cząstkowe, co skutkuje trwałym dipolem w obojętnym związku - co czyni go polarnym.
Cząsteczki z trwałymi dipolami - zwane również związkami polarnymi - ustawiają się dzięki siłom dipol-dipol, w których dodatni koniec jednej cząsteczki oddziałuje elektrostatycznie z ujemnym końcem sąsiedniej cząsteczki.
Jeśli związek polarny zawiera atom wodoru kowalencyjnie związany z małym, wysoce elektroujemnym atomem, takim jak fluor, tlen lub azot, atomy mają tendencję do wykazywania większych ładunków cząstkowych.
W związku z tym atom wodoru w wiązaniach F-H, O-H lub N-H silnie oddziałuje z elektroujemnym atomem na swoim sąsiednim poprzez specjalny rodzaj siły dipol-dipol zwany wiązaniem wodorowym.
Warto zauważyć, że wiązania wodorowe są silniejsze niż siły dipol-dipol, a związki zdolne do tworzenia wiązań wodorowych wykazują wyższe temperatury topnienia i wrzenia.
Trzy siły międzycząsteczkowe – dyspersja, dipol-dipol i wiązania wodorowe – są w porównaniu z siłami wewnątrzcząsteczkowymi stosunkowo słabe, o różnej sile. Są one zbiorczo klasyfikowane jako siły van der Waalsa.
Podczas gdy siły dyspersji występują między wszystkimi cząsteczkami, polarne lub niepolarne, siły dipol-dipol i wiązania wodorowe występują tylko wokół cząsteczek polarnych.
Wyłącznie w roztworach występuje siła jonowo-dipolowa, która jest najsilniejszą siłą międzycząsteczkową. Kiedy związek jonowy, taki jak chlorek sodu, rozpuszcza się w polarnym rozpuszczalniku, takim jak woda, zdysocjowane jony oddziałują z dipolami rozpuszczalnika poprzez silne siły jon-dipol.
Tutaj kationy łączą się z ujemnymi końcami cząsteczek wody, podczas gdy aniony oddziałują z dodatnimi końcami.

siły międzycząsteczkowe

Intermolecular Forces

Atomy i cząsteczki oddziałują poprzez wiązania (lub siły): wewnątrzcząsteczkowe i międzycząsteczkowe. Siły są elektrostatyczne, ponieważ powstają w wyniku interakcji (przyciągających lub odpychających) pomiędzy naładowanymi cząstkami (ładunki stałe, częściowe lub tymczasowe) i występują z różną siłą pomiędzy jonami, cząsteczkami polarnymi, niepolarnymi i obojętnymi. Różne rodzaje sił międzycząsteczkowych to jon – dipol, dipol – dipol, wiązania wodorowe i dyspersja. Wśród nich znajdują się wiązania dipol-dipol, wiązania wodorowe i siły dyspersji pomiędzy neutralnymi atomami i cząsteczkami, znane jako siły van der Waalsa.

<h4>Siły dipol-dipol</h4>

Cząsteczki polarne mają częściowy ładunek dodatni na jednym końcu i częściowy ładunek ujemny na drugim końcu cząsteczki — separacja ładunków zwana dipolem. W cząsteczce polarnej, takiej jak HCl, bardziej elektroujemny atom Cl ma częściowy ładunek ujemny, podczas gdy mniej elektroujemny atom H ma częściowy ładunek dodatni. Siła przyciągania pomiędzy cząsteczkami HCl wynika z przyciągania pomiędzy dodatnim końcem jednej cząsteczki HCl i ujemnym końcem drugiej. Ta siła przyciągania nazywana jest przyciąganiem dipolowo-dipolowym — siłą elektrostatyczną między częściowo dodatnim końcem jednej cząsteczki polarnej a częściowo ujemnym końcem drugiej.

<h4>Siły dyspersyjne</h4>

Jedna z trzech sił van der Waalsa występuje we wszystkich fazach skondensowanych, niezależnie od rodzaju atomów lub cząsteczek tworzących substancję. Ta siła przyciągania została nazwana londyńską siłą dyspersji na cześć urodzonego w Niemczech amerykańskiego fizyka Fritza Londona, który w 1928 roku jako pierwszy ją wyjaśnił. Siłę tę często nazywa się po prostu siłą dyspersji. Ponieważ elektrony atomu lub cząsteczki są w ciągłym ruchu (lub alternatywnie ich położenie podlega zmienności kwantowo-mechanicznej), w dowolnym momencie atom lub cząsteczka może wytworzyć tymczasowy, natychmiastowy dipol, jeśli jego elektrony są rozłożone asymetrycznie. Obecność tego dipola może z kolei zniekształcić elektrony sąsiedniego atomu lub cząsteczki, tworząc indukowany dipol. Te dwa szybko zmieniające się, tymczasowe dipole powodują zatem stosunkowo słabe przyciąganie elektrostatyczne między gatunkami – tak zwaną siłę dyspersji.

Siły dyspersji, które powstają pomiędzy atomami w różnych cząsteczkach, mogą przyciągać do siebie dwie cząsteczki. Siły te są jednak stosunkowo słabe i stają się znaczące dopiero wtedy, gdy cząsteczki znajdują się bardzo blisko. Większe i cięższe atomy i cząsteczki wykazują silniejsze siły dyspersji niż mniejsze i lżejsze atomy i cząsteczki. F2 i Cl2 to gazy w temperaturze pokojowej (cechujące się słabszymi siłami przyciągania), a Br2 jest cieczą, a I2 jest ciałem stałym (cechujące się silniejszymi siłami przyciągania przyciągania).

<h4>Wiązanie wodorowe</h4>

Fluorek nitrozylu (ONF, masa cząsteczkowa 49 amu) jest gazem w temperaturze pokojowej, natomiast woda (H2O, masa cząsteczkowa 18 amu) jest cieczą, mimo że ma niższą masę cząsteczkową. Obie cząsteczki mają mniej więcej ten sam kształt, a ONF jest cząsteczką cięższą i większą. Oczekuje się zatem, że wystąpią w nim bardziej znaczące siły dyspersji. Ta różnica temperatur wrzenia nie może wynikać z różnic w momentach dipolowych cząsteczek. Obie cząsteczki są polarne i wykazują porównywalne momenty dipolowe. Duża różnica między temperaturami wrzenia wynika ze szczególnie silnego przyciągania dipol-dipol, które może wystąpić, gdy cząsteczka zawiera atom wodoru związany z atomem fluoru, tlenu lub azotu (trzy pierwiastki najbardziej elektroujemne). Bardzo duża różnica elektroujemności pomiędzy atomem H (2,1) a atomem, z którym jest on związany (4,0 dla atomu F, 3,5 dla atomu O lub 3,0 dla atomu N), w połączeniu z bardzo małym rozmiarem Atom H i stosunkowo małe rozmiary atomów F, O lub N prowadzą do powstania wysoce skoncentrowanych ładunków cząstkowych tych atomów. Cząsteczki z ugrupowaniami F-H, O-H lub N-H są bardzo silnie przyciągane przez podobne ugrupowania w pobliskich cząsteczkach, co stanowi szczególnie silny rodzaj przyciągania dipol-dipol zwany wiązaniem wodorowym. Przykłady wiązań wodorowych obejmują HF⋯HF, H2O⋯HOH i H3N⋯HNH2, w których wiązania wodorowe są oznaczone kropkami.

<h4>Siły jonowo-dipolowe</h4>

Siła jonowo-dipolowa to przyciąganie elektrostatyczne pomiędzy jonem a dipolem. Siły te są powszechne w roztworach i odgrywają ważną rolę w rozpuszczaniu związków jonowych w wodzie.

Kiedy związek jonowy, taki jak KCl, zostanie dodany do polarnego rozpuszczalnika, takiego jak woda, jony w substancji stałej oddzielają się i równomiernie rozpraszają. Siły jonowo-dipolowe przyciągają dodatni koniec (wodór) cząsteczek wody polarnej do ujemnych jonów chlorkowych na powierzchni ciała stałego i przyciągają ujemne końce (tlen) do dodatnich jonów potasu. Cząsteczki wody otaczają poszczególne jony K+ i Cl−, redukując silne siły międzyjonowe, które wiążą jony razem (w ciele stałym) i umożliwiając im przejście do roztworu w postaci solwatowanych jonów. Pokonanie przyciągania elektrostatycznego umożliwia niezależny ruch każdego uwodnionego jonu w rozcieńczonym roztworze, gdy jony przechodzą z ustalonych pozycji w nierozpuszczonym związku do szeroko rozproszonych, solwatowanych jonów w roztworze.

Siła oddziaływań jon – dipol jest wprost proporcjonalna do i) ładunku jonu oraz ii) wielkości dipola cząsteczek polarnych.

Siły międzycząsteczkowe

Atomy i cząsteczki oddziałują poprzez wiązania (lub siły): wewnątrzcząsteczkowe i międzycząsteczkowe. Siły są elektrostatyczne, ponieważ powstają w wyniku oddziaływań ...

Education

JoVE Core

Molecular Biology

Biologia molekularna

Unit 1

Jednostka 1

Biochemistry of the Cell

Biochemia komórki

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

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.

intermolecular forces

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

JoVE Core Molecular Biology showcases the molecular processes of the cell through clear and concise animated video lessons. Additionally, in scientist-in-action videos, these concepts' application is demonstrated through real experiments in modern laboratories.

Forces Between Molecules

Description

Transcript

Tags