11.3: Межмолекулярные силы

Атомы и молекулы взаимодействуют посредством связей (или сил): внутримолекулярных и межмолекулярных. Силы являются электростатическими, поскольку они возникают в результате взаимодействий (притяжения или отталкивания) между заряженными частицами (постоянными, частичными или временными зарядами) и существуют с различной силой между ионами, полярными, неполярными и нейтральными молекулами. Различные типы межмолекулярных сил: ионный & # 8211; диполь, дипольный & # 8211; диполь, водородные связи и дисперсия; Среди них дипольные & # 8211; дипольные, водородные связи и дисперсионные силы существуют между нейтральными атомами и молекулами и в совокупности известны как силы Ван-дер-Ваальса.

Дипольные & # 8211; дипольные силы

Полярные молекулы имеют частичный положительный заряд на одном конце и частичный отрицательный заряд на другом конце молекулы - разделение зарядов, называемое диполем . В полярной молекуле, такой как HCl, более электроотрицательный атом Cl несет частичный отрицательный заряд, тогда как менее электроотрицательный атом H несет частичный положительный заряд. Сила притяжения между молекулами HCl возникает в результате притяжения между положительным концом одной молекулы HCl и отрицательным концом другой. Эта сила притяжения называется дипольным & # 8211; дипольным притяжением - электростатической силой между частично положительным концом одной полярной молекулы и частично отрицательным концом другой.

Силы рассеивания

Одна из трех сил Ван-дер-Ваальса присутствует во всех конденсированных фазах, независимо от природы атомов или молекул, составляющих вещество. Эта сила притяжения называется лондонской дисперсионной силой в честь американского физика немецкого происхождения Фрица Лондона, который в 1928 году впервые ее объяснил. Эту силу часто называют просто дисперсионной силой. Поскольку электроны атома или молекулы находятся в постоянном движении (или, альтернативно, их положение подвержено квантово-механической изменчивости), в любой момент времени у атома или молекулы может возникнуть временный мгновенный диполь, если его электроны распределены. асимметрично. Присутствие этого диполя, в свою очередь, может искажать электроны соседнего атома или молекулы, создавая индуцированный диполь. Эти два быстро колеблющихся временных диполя, таким образом, приводят к относительно слабому электростатическому притяжению между видами - так называемой дисперсионной силе.

Дисперсионные силы, возникающие между атомами в разных молекулах, могут притягивать эти две молекулы друг к другу. Однако силы относительно малы и становятся значительными только тогда, когда молекулы находятся очень близко друг к другу. Более крупные и тяжелые атомы и молекулы демонстрируют более сильные дисперсионные силы, чем более мелкие и легкие атомы и молекулы. F ₂ и Cl ₂ - газы при комнатной температуре (отражающие более слабые силы притяжения); Br ₂ - жидкость, а I ₂ - твердое тело (отражающее более сильные силы притяжения).

Водородная связь

Фторид нитросила (ОНФ, молекулярная масса 49 аму) — газ при комнатной температуре, в то время как вода (H2O, молекулярная масса 18 аму) — жидкость, хотя она имеет более низкую молекулярную массу. Обе молекулы имеют примерно одинаковую форму, а ONF — более тяжелую и большую молекулу. Таким образом, ожидается, что она будет испытывать более значительные силы рассеивания. Кроме того, эта разница в точках кипения не может быть результатом различий в дипольных моментах молекул. Обе молекулы полярны и демонстрируют сравнимые дипольные моменты. Большая разница между точками кипения обусловлена особенно сильным притяжением диполя-диполя, которое может произойти, когда молекула содержит атом водорода, связанный с атомом фтора, кислорода или азота (три самых электрических элемента). Очень большое отличие электроотрицательности между атомом H (2.1) и атомом, к которому он связан (4.0 для атома F, 3.5 для атома O, Или 3.0 для атома N), в сочетании с очень малым размером атома H и относительно небольшими размерами атомов F, O или N, приводит к высококонцентрированным частичным зарягам с этими атомами. Молекулы с благочестием F-H, O-H или N-H очень сильно притягиваются к подобному благочестию в близлежащих молекулах, особенно сильный тип дипольного-дипольного притяжения, называемый водородным связывание. Примерами водородных связей являются HF⋯HF, H2O⋯HOH и H3N⋯HNH₂, в которых водородные связи обозначаются точками.

 Ионодипольных сил

Ионодипольная сила — это электростатическое притяжение между ионом и дипоном. Эти силы распространены в решениях и играют важную роль в растворении ионных соединений в воде.

При добавлении ионного соединения, такого как KCl, к полярному растворителю, например, воде, ионы в твердом веществе разделяются и равномерно распределяются. Ионодипольные силы притягивают положительный (водородный) конец молекул полярной воды к отрицательным ионам хлорида на поверхности твердого тела, и они притягивают отрицательные (кислородные) концы к положительным ионам калия. Молекулы воды окружают отдельные ионы K+ и CL-, уменьшая сильные интерионные силы, связывающие ионы (в твердом состоянии) и позволяя им переместиться в раствор в качестве разрешимости ионов. Преодоление электростатическое притяжение позволяет осуществлять независимое движение каждого гидрированного иона в разбавленном раствор, так как ионы переходят из фиксированных положений в нерастворенном соединении в широко рассредоточенные, разрешимость ионы в раствор.

Сила ион-дипольных взаимодействий прямо пропорциональна i) заряду на ионе и II) величине диполя полярных молекул.

Этот текст адаптирован изOpenstax, Химия 2е изд., Глава 10: Жидкости и твердые вещества.

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.