11.2: Межмолекулярные и внутримолекулярные силы

Межмолекулярные силы (ММС) — это электростатические притяжения, возникающий из заряженности взаимодействий между молекулами. На силу межмолекулярной силы влияет расстояние между молекулами. Силы значительно влияют на взаимодействия в твердых телах и жидкостях, где молекулы расположены близко друг к другу. В газам ММС становятся важными только в условиях высокого давления (из-за близости молекул газа). Межмолекулярные силы определяют физические свойства веществ, таких как их температура плавления, точка кипения, плотность и энтальки синтеза и испарения. При нагревании жидкости термальная энергия, получаемая ее молекулами, преодолевает лимФ, которые удерживают их на месте, и жидкость закипает (превращается в газообразное состояние). Точки кипения и плавления зависят от типа и силы межмолекулярных сил. Например, высококипящая жидкость, такая как вода (H ₂ O, точка кипения 100 ° C), проявляет более сильные межмолекулярные силы по сравнению с низкокипящей жидкостью, такой как гексан (C ₆ H ₁₄ , bp 68,73 & # 176; C).

В то время как между молекулами существуют межмолекулярные силы, внутримолекулярные силы существуют внутри молекул и удерживают атомы в данной молекуле вместе. Внутримолекулярные силы сохраняют молекулу нетронутой; изменение состояния вещества не влияет на внутримолекулярные взаимодействия. Например, хотя таяние льда частично нарушает межмолекулярные силы между твердыми молекулами H ₂ O, тем самым перестраивая их и превращая лед в жидкую воду, оно не разрушает индивидуальный H ₂ O молекул.

Внутримолекулярные силы могут быть ионными, ковалентными или металлическими по своей природе.

Атомы приобретают (неметаллы) или теряют электроны (металлы) с образованием ионов (анионов и катионов) с особенно стабильной электронной конфигурацией. Соединения, состоящие из ионов, называются ионными соединениями (или солями), а составляющие их ионы удерживаются вместе ионными связями: электростатическими силами притяжения между противоположно заряженными катионами и анионами. Например, хлорид магния (MgCl ₂ ) представляет собой ионное соединение, состоящее из катионов магния и анионов хлорида, удерживаемых вместе прочными ионными связями.

Ковалентная связь (неполярная или полярная) образуется, когда электроны разделяются между атомами и образуется молекула. Неполярные ковалентные связи возникают, когда атомы разделяют электроны поровну, например, в водороде (H ₂ ). Полярные ковалентные связи образуются из-за неравного распределения электронов; один атом оказывает на электроны более сильную силу притяжения, чем другой. Примером может служить хлористый водород, HCl.

Металлические твердые частицы, например кристаллы меди, алюминия и железа, образованы атомами металлов. Атомы внутри такого металлического твердого тела удерживаются вместе уникальной силой, известной как металлическая связь, которая дает начало множеству полезных и разнообразных объемных свойств.

Межмолекулярные силы намного слабее по сравнению с внутримолекулярными силами. Например, чтобы преодолеть ММС в одном моль жидкой HCl и преобразовать ее в газообразный HCl, требуется всего около 17 килоджоулей. Однако для разрыва ковалентных связей между атомами водорода и хлора в одном моль HCl требуется примерно в 25 раз больше энергии, что составляет 430 килоджоулей.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд. , Глава 10. Жидкости и твердые тела.

Химические вещества образуются при электростатическом взаимодействии атомов или ионов. Например, один атом кислорода и два атома водорода ковалентно связаны с образованием молекулы воды. Такие силы связи, которые удерживают атомы в составе молекулы, называются внутримолекулярными силами.

Внутримолекулярные силы определяют химические свойства, такие как стабильность и типы химических связей. Три основных типа это ионные, ковалентные и металлические связи. Ионная связь образуется путем переноса валентных электронов от металла к атому неметалла, что приводит к электростатическому притяжению между противоположно заряженными ионами.

Ковалентная связь образуется, когда атомы неметаллов делят свои валентные электроны. Наконец, металлическая связь является результатом взаимодействия между множеством положительных ионов металла и общим пулом делокализованных валентных электронов. Однако электростатические взаимодействия существуют не только внутри молекулы, но и между молекулами.

Например, в воде твердой, жидкой или газообразной молекулы взаимодействуют посредством электростатических, несвязывающих взаимодействий, определяющих состояние вещества. Эти взаимодействия называются межмолекулярными силами и влияют на различные физические свойства, такие как точки плавления и кипения. Силы межмолекулярного взаимодействия можно разделить на несколько типов.

Между ионами и полярными молекулами возникают сильные ионно-дипольные силы;диполь-дипольные силы существуют между полярными молекулами, при этом водородная связь является особым типом диполь-дипольной силы;и, наконец, самые слабые из всех дисперсионные силы существуют во всех молекулах, полярных и неполярных, и образуются при взаимодействии временных диполей. Межмолекулярные силы слабые, потому что в них небольшие или частичные заряды взаимодействуют на больших расстояниях, по сравнению с внутримолекулярными силами, которые сильны из-за значительных электростатических взаимодействий на коротких расстояниях. Например, в жидкой воде молекулы разделены средним расстоянием около 300 пикометров, что характерно для сравнительно более слабых межмолекулярных сил.

Следовательно, для преодоления этих межмолекулярных сил и перехода молекул воды из жидкой фазы в газообразную требуется нагреть воду только до 100 градусов Цельсия. В отличие от них, длина связи O-H в молекуле воды составляет 96 пикометров, что характерно для более прочных внутримолекулярных связей. Чтобы разорвать эту внутримолекулярную связь, необходимо нагреть воду до температуры около 1000 градусов Цельсия, что намного выше температуры кипения.