2.8
Межмолекулярные силы
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 hydrogen bonds, van der Waals forces, dipole-dipole interactions, and London dispersion forces. These noncovalent attractions in biomolecules govern how molecules interact and organize in biological systems. Understanding these forces is essential for comprehending protein folding, molecular recognition, and cellular function.
Q2: How do hydrogen bonds differ from other intermolecular forces?
Hydrogen bonds form between a hydrogen atom bonded to an electronegative atom and another electronegative atom. They are stronger than van der Waals forces and dipole-dipole interactions but weaker than covalent bonds. Hydrogen bonding is crucial for DNA base pairing and protein secondary structure stabilization.
Q3: What causes London dispersion forces to occur between molecules?
London dispersion forces arise from temporary dipoles created by electron movement within nonpolar molecules. These weak attractions occur when electron clouds shift, creating momentary positive and negative regions. Though individually weak, London dispersion forces collectively influence molecular behavior and are significant in hydrophobic interactions within proteins.
Q4: Why are dipole-dipole interactions important in biological molecules?
Dipole-dipole interactions occur between polar molecules with permanent dipoles, such as those containing carbonyl or hydroxyl groups. These attractions are stronger than London dispersion forces and help stabilize molecular structures and interactions. They play a key role in solubility, molecular recognition, and the organization of cellular components.
Q5: How do van der Waals forces affect protein structure and function?
Van der Waals forces, encompassing dipole-dipole interactions and London dispersion forces, contribute to protein stability through cumulative weak attractions. These forces help maintain tertiary structure and facilitate molecular packing in protein cores. Though individually weak, their collective effect is essential for proper protein folding and biological activity.
Q6: What is the relationship between intermolecular forces and molecular solubility?
Intermolecular forces determine whether molecules dissolve in solvents based on compatibility of attractions. Polar solvents dissolve polar solutes through hydrogen bonding and dipole-dipole interactions, while nonpolar solvents dissolve nonpolar solutes through London dispersion forces. This principle underlies cellular transport and the behavior of biomolecules in aqueous environments.