Siły międzycząsteczkowe to siły przyciągania, które istnieją między cząsteczkami. Dyktują one kilka właściwości masowych, takich jak temperatury topnienia, temperatury wrzenia i rozpuszczalność (mieszalność) substancji. Masa molowa, kształt cząsteczkowy i polarność wpływają na siłę różnych sił międzycząsteczkowych, które wpływają na wielkość właściwości fizycznych w całej rodzinie cząsteczek.
Tymczasowe siły przyciągania, takie jak dyspersja, są obecne we wszystkich cząsteczkach, niezależnie od tego, czy są one polarne, czy niepolarne. Powodują kondensację (skraplanie) gazy i zamarzanie (krzepnięcie) cieczy w warunkach bardzo niskiej temperatury (lub wysokiego ciśnienia). Siły dyspersji powstają w wyniku tymczasowych dipoli spowodowanych asymetrycznym rozmieszczeniem elektronów wokół jądra atomu. Atomy (lub cząsteczki) o większej liczbie elektronów (większa masa molowa) wykazują silniejsze siły dyspersyjne niż lżejsze atomy (lub cząsteczki). Temperatura topnienia i trend temperatury wrzenia halogenów wykazują ten efekt. Przesuwając się w dół grupy, od fluoru do jodu, temperatury topnienia i wrzenia rosną wraz ze wzrostem wielkości atomowej (lub masy). Wzrost ten można zracjonalizować, rozważając, w jaki sposób struktura elektronowa atomów lub cząsteczek w substancji wpływa na siłę sił dyspersji. W większym atomie elektrony walencyjne znajdują się średnio dalej od jąder niż w mniejszym atomie. W ten sposób są one mniej mocno trzymane i mogą łatwiej tworzyć tymczasowe dipole, które wytwarzają przyciąganie. Miara tego, jak łatwo lub trudno jest innemu ładunkowi elektrostatycznemu (na przykład pobliskiemu jonowi lub cząsteczce polarnej) zniekształcić rozkład ładunku cząsteczki (jej chmury elektronów), jest znana jako polaryzacja.
Mówi się, że cząsteczka, która ma chmurę ładunku, która łatwo ulega zniekształceniu, jest bardzo polaryzowana i będzie miała duże siły dyspersyjne; cząsteczka z chmurą ładunku, która jest trudna do zniekształcenia, nie jest bardzo polaryzowana i będzie miała małe siły dyspersyjne. Kształty cząsteczek wpływają również na wielkość sił dyspersyjnych między nimi. Na przykład temperatury wrzenia izomerów n-pentanu, izopentanu i neopentanu wynoszą odpowiednio 36 °C, 27 °C i 9,5 °C. Mimo że związki te składają się z cząsteczek o tym samym wzorze chemicznym C5H12, różnica w temperaturach wrzenia sugeruje, że siły dyspersji w fazie ciekłej są różne, największe dla n-pentanu i najmniejsze dla neopentanu. Wydłużony kształt n-pentanu zapewnia większą powierzchnię dostępną do kontaktu między cząsteczkami, co skutkuje odpowiednio silniejszymi siłami dyspersji. Bardziej zwarty kształt izopentanu zapewnia mniejszą powierzchnię dostępną dla kontaktu międzycząsteczkowego, a tym samym słabsze siły dyspersyjne. Cząsteczki neopentanu są najbardziej zwarte z trzech, oferując najmniejszą dostępną powierzchnię do kontaktu międzycząsteczkowego, a co za tym idzie, najsłabsze siły dyspersyjne.
Substancje polarne wykazują przyciąganie dipol-dipol. Efekt tego przyciągania jest widoczny, gdy porównamy właściwości polarnych cząsteczek HCl z niepolarnymi cząsteczkami F2. Zarówno HCl, jak i F2 składają się z tej samej liczby atomów i mają w przybliżeniu tę samą masę cząsteczkową. W temperaturze 150 K cząsteczki obu substancji miałyby takie samo średnie KE. Jednak przyciąganie dipol-dipol między cząsteczkami HCl jest wystarczające, aby spowodować, że “skleją się ze sobą” w ciecz, podczas gdy stosunkowo słabsze siły dyspersji między niepolarnymi cząsteczkami F2 nie są, a więc substancja ta jest gazowa w tej temperaturze. Wyższa normalna temperatura wrzenia HCl (188 K) w porównaniu do F2 (85 K) jest odzwierciedleniem większej siły przyciągania dipol-dipol między cząsteczkami HCl w porównaniu z przyciąganiem między niepolarnymi cząsteczkami F2.
Szczególny rodzaj siły dipol-dipol – wiązania wodorowe – mają wyraźny wpływ na właściwości faz skondensowanych (cieczy i ciał stałych). Na przykład rozważmy trendy temperatur wrzenia wodorków binarnych z grupy 15 (NH3, PH3, AsH3 i SbH3), wodorków z grupy 16 (H2O, H2S, H2Se i H2Te) oraz wodorków z grupy 17 (HF, HCl, HBr i HI). Przechodząc w dół grup, polaryzacja cząsteczek nieznacznie się zmniejsza, podczas gdy rozmiary cząsteczek znacznie się zwiększają. Efekt coraz silniejszych sił dyspersyjnych dominuje nad efektem coraz słabszego przyciągania dipol-dipol, a temperatury wrzenia obserwuje się stały wzrost. Korzystając z tego trendu, przewidywane temperatury wrzenia dla najlżejszego wodorku dla każdej grupy wynosiłyby około −120 °C (dla NH3), −80 °C (dla H2O) i −110 °C (dla HF). Jednak zmierzone temperatury wrzenia dla tych związków wynoszą około −33,34 °C (dla NH3), 100 °C (dla H2O) i 19,5 °C (dla HF), z których wszystkie są znacznie wyższe niż przewidywane trendy. Wyraźny kontrast między naszymi naiwnymi przewidywaniami a rzeczywistością dostarcza przekonujących dowodów na siłę wiązań wodorowych.
Wpływ polaryzacji na mieszalność
Mówi się, że ciecze, które można jednorodnie mieszać w dowolnej proporcji, są mieszalne. Mieszające się ciecze mają podobną polarność. Weźmy na przykład metanol (CH3OH) i wodę (H2O), dwie ciecze, które są polarne i zdolne do wiązania wodorowego. Podczas mieszania metanol i woda będą oddziaływać poprzez międzycząsteczkowe wiązania wodorowe i mieszać się; W związku z tym są mieszalne. Podobnie ciecze niepolarne, takie jak heksan (C, 6, H, 14) i brom (Br2), mieszają się ze sobą poprzez siły dyspersji. Aksjomat chemiczny “podobne rozpuszcza się podobnie” jest przydatny do przewidywania mieszalności związków. Dwie ciecze, które nie mieszają się w znacznym stopniu, nazywane są niemieszającymi się. Na przykład niepolarny heksan nie miesza się z wodą polarną. Stosunkowo słabe siły przyciągania między heksanem a wodą nie pokonują odpowiednio silniejszych sił wiązań wodorowych między cząsteczkami wody.
Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 10.1: Siły międzycząsteczkowe. oraz Sekcja 11.3: Rozpuszczalność.
