11.3
Атомы и молекулы взаимодействуют посредством связей (или сил): внутримолекулярных и межмолекулярных. Силы являются электростатическими, поскольку они…
Межмолекулярные силы, существующие между молекулами, возникают в результате электростатических взаимодействий между зарядами, частичными зарядами и временными зарядами. Все молекулы создают временные заряды. Из-за различного распределения электронов более высокая концентрация электронов в одной области электронного облака приводит к образованию мгновенного диполя или временного диполя.
Впоследствии это вызывает образование еще одного мгновенного диполя в соседней молекуле. Эффект дипольного домино порождает слабые силы межмолекулярного притяжения, называемые силами дисперсии, которые существуют между всеми молекулами, полярными или неполярными. Некоторые ковалентные соединения, такие как вода, демонстрируют богатые электронами и бедные электронами области, вызванные различиями в электроотрицательности атомов.
Неравномерное распределение общих электронов и молекулярная форма соединения создают постоянные частичные заряды, что приводит к образованию постоянного диполя в нейтральном соединении, делающего его полярным. Молекулы с постоянными диполями также называемые полярными соединениями выравниваются за счет диполь-дипольных сил, когда положительный конец одной молекулы электростатически взаимодействует с отрицательным концом соседней молекулы. Если полярное соединение содержит атом водорода, ковалентно связанный с небольшим, сильно электроотрицательным атомом, таким как фтор, кислород или азот, атомы имеют тенденцию образовывать большие частичные заряды.
Следовательно, атом водорода в связях F-H, O-H или N-H активно взаимодействует с соседним электроотрицательным атомом посредством особого типа диполь-дипольной силы, называемой водородной связью. Примечательно, что водородные связи сильнее диполь-дипольных сил, а соединения, способные образовывать водородные связи, имеют более высокие температуры плавления и кипения. Три межмолекулярные силы дисперсия, диполь-дипольные и водородные связи по сравнению с внутримолекулярными силами относительно слабы и имеют разную силу.
Все вместе они классифицируются как силы Ван-дер-Ваальса. В то время как дисперсионные силы присутствуют между всеми молекулами, полярными или неполярными, диполь-дипольные силы и водородные связи существуют только вокруг полярных молекул. Исключительно в растворах существует ионно-дипольная сила, которая является самой сильной межмолекулярной силой.
Когда ионное соединение, такое как хлорид натрия, растворяется в полярном растворителе, таком как вода, диссоциированные ионы взаимодействуют с диполями растворителя посредством сильных ионно-дипольных сил. Здесь катионы связываются с отрицательными концами молекул воды, а анионы взаимодействуют с положительными концами.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the main types of intermolecular forces?
Intermolecular forces include dispersion forces, dipole-dipole forces, hydrogen bonds, and ion-dipole forces. Dispersion forces exist between all molecules due to temporary charge fluctuations. Dipole-dipole forces occur between polar molecules with permanent partial charges. Hydrogen bonds form between hydrogen and highly electronegative atoms like fluorine, oxygen, or nitrogen. Ion-dipole forces, the strongest type, occur when ions interact with polar solvent molecules in solutions.
Q2: How do dispersion forces arise between molecules?
Dispersion forces result from temporary, instantaneous dipoles created by uneven electron distribution in molecules. When electrons concentrate asymmetrically in one region, they create a temporary dipole that induces a similar dipole in neighboring molecules. This domino effect of fluctuating dipoles produces weak electrostatic attractions. Larger, heavier molecules exhibit stronger dispersion forces than smaller, lighter ones, affecting their physical states at room temperature.
Q3: Why are hydrogen bonds stronger than other dipole-dipole forces?
Hydrogen bonds form when hydrogen is bonded to highly electronegative atoms like fluorine, oxygen, or nitrogen, creating very large partial charges. The extreme electronegativity difference and small atomic sizes concentrate charges intensely, producing exceptionally strong electrostatic attractions. Compounds capable of forming hydrogen bonds exhibit significantly higher melting and boiling points compared to similar molecules lacking this interaction, demonstrating their superior strength.
Q4: What makes a molecule polar, and how does this affect intermolecular interactions?
Polar molecules form when atoms with different electronegativities create uneven electron distribution, resulting in permanent partial charges or dipoles. In water, for example, oxygen's high electronegativity pulls electrons away from hydrogen, creating electron-rich and electron-poor regions. Polar molecules align through dipole-dipole forces, where the positive end of one molecule attracts the negative end of another, enabling stronger intermolecular interactions than nonpolar substances.
Q5: How do ion-dipole forces enable ionic compounds to dissolve in water?
When ionic compounds like sodium chloride dissolve in polar solvents like water, dissociated ions interact with water's dipoles through ion-dipole forces. Cations associate with water's negative oxygen ends, while anions interact with positive hydrogen ends. These strong electrostatic attractions overcome the interionic forces binding ions in the solid, allowing individual ions to disperse as solvated ions throughout the solution.
Q6: What is the relationship between van der Waals forces and intermolecular force strength?
Van der Waals forces encompass dispersion forces, dipole-dipole forces, and hydrogen bonds—all relatively weak compared to intramolecular bonds. These forces vary in strength: dispersion forces are weakest and present in all molecules, dipole-dipole forces are stronger and occur only in polar molecules, and hydrogen bonds are the strongest van der Waals interaction. Ion-dipole forces, exclusive to solutions, represent the strongest intermolecular force overall.
Q7: Why does water have a higher boiling point than nitrosyl fluoride despite having lower molecular mass?
Water's higher boiling point results from hydrogen bonding, a particularly strong dipole-dipole attraction. Although nitrosyl fluoride is heavier and experiences stronger dispersion forces, water's O-H bonds create highly concentrated partial charges that enable hydrogen bonding. This special intermolecular interaction is absent in nitrosyl fluoride, making hydrogen bonds the dominant factor determining water's elevated boiling point relative to its molecular mass.