Moleküller Arası Kuvvetlerin Karşılaştırılması: Erime Noktası, Kaynama Noktası ve Karışabilirlik

Moleküller arası kuvvetler, moleküller arasında var olan çekici kuvvetlerdir. Maddelerin erime noktaları, kaynama noktaları ve çözünürlükleri (karışabilirlikleri) gibi çeşitli yığın özelliklerini belirlerler. Molar kütle, moleküler şekil ve polarite, bir molekül ailesi boyunca fiziksel özelliklerin büyüklüğünü etkileyen farklı moleküller arası kuvvetlerin gücünü etkiler.

Dağılma gibi geçici çekici kuvvetler, polar olsun veya olmasın tüm moleküllerde mevcuttur. Çok düşük sıcaklık (veya yüksek basınç) koşullarında gazların yoğunlaşmasına (sıvılaşmasına) ve sıvıların donmasına (katılaşmasına) neden olurlar. Dağılma kuvvetleri, elektronların atom çekirdeği etrafındaki asimetrik dağılımının neden olduğu geçici dipollerden kaynaklanır. Daha fazla sayıda elektrona (daha yüksek molar kütleye) sahip atomlar (veya moleküller), daha hafif atomlardan (veya moleküllerden) daha güçlü dağılım kuvvetleri gösterir. Halojenlerin erime noktası ve kaynama noktası eğilimi bu etkiyi göstermektedir. Florinden iyota doğru grupta aşağı hareket, artan atom boyutu (veya kütle) ile erime noktaları ve kaynama noktaları artar. Bu artış, dağılım kuvvetlerinin kuvvetinin, maddenin içindeki atomların veya moleküllerin elektronik yapısından nasıl etkilendiği dikkate alınarak rasyonelleştirilebilir. Daha büyük bir atomda, değerlik elektronları ortalama olarak çekirdeklerden daha küçük bir atomda olduğundan daha uzaktır. Böylece, daha az sıkı tutulurlar ve çekiciliği üreten geçici dipolleri daha kolay oluşturabilirler. Başka bir elektrostatik yükün (örneğin, yakındaki bir iyon veya polar molekül) bir molekülün yük dağılımını (elektron bulutu) bozmasının ne kadar kolay veya zor olduğunun ölçüsü, polarize edilebilirlik olarak bilinir.

Kolayca deforme edilebilen bir yük bulutuna sahip bir molekülün çok polarize olabileceği ve büyük dağılım kuvvetlerine sahip olacağı söylenir; Bozulması zor olan bir yük bulutuna sahip olan biri çok kutuplanabilir değildir ve küçük dağılım kuvvetlerine sahip olacaktır. Moleküllerin şekilleri de aralarındaki dağılma kuvvetlerinin büyüklüklerini etkiler. Örneğin, n-pentan, izopentan ve neopentan izomerleri için kaynama noktaları sırasıyla 36 °C, 27 °C ve 9,5 °C’dir. Bu bileşikler aynı kimyasal formüle (C₅H₁₂) sahip moleküllerden oluşsa da, kaynama noktalarındaki fark, sıvı fazdaki dağılım kuvvetlerinin farklı olduğunu, en büyük n-pentan için ve en az neopentan için olduğunu göstermektedir. n-pentanın uzatılmış şekli, moleküller arasında temas için daha büyük bir yüzey alanı sağlar ve bu da buna karşılık olarak daha güçlü dispersiyon kuvvetleri ile sonuçlanır. İzopentanın daha kompakt şekli, moleküller arası temas için daha küçük bir yüzey alanı ve dolayısıyla daha zayıf dispersiyon kuvvetleri sunar. Neopentan molekülleri bu üçü arasında en kompakt olanıdır ve moleküller arası temas için en az mevcut yüzey alanını ve dolayısıyla en zayıf dağılım kuvvetlerini sunar.

Kutup maddeleri, dipol–dipol çekicilikleri sergiler. Bu çekimin etkisi, polar HCl moleküllerinin özelliklerini polar olmayan F₂ molekülleriyle karşılaştırırken belirgindir. Hem HCl hem de F₂ aynı sayıda atomdan oluşur ve yaklaşık olarak aynı moleküler kütleye sahiptir. 150 K sıcaklıkta, her iki maddenin molekülleri aynı ortalama KE’ye sahip olacaktır. Bununla birlikte, HCl molekülleri arasındaki dipol–dipol çekimleri, bunların bir sıvı oluşturmak üzere “birbirine yapışmasına” neden olmak için yeterlidir, oysa polar olmayan F₂ molekülleri arasındaki nispeten zayıf dağılım kuvvetleri değildir ve bu nedenle bu madde, bu sıcaklıkta gaz halindedir. F₂ (85 K) ile karşılaştırıldığında HCl’nin (188 K) daha yüksek normal kaynama noktası, polar olmayan F₂ molekülleri arasındaki çekiciliğe kıyasla, HCl molekülleri arasındaki dipol–dipol çekimlerinin daha büyük gücünün bir yansımasıdır.

Özel bir dipol–dipol kuvvet türü olan —hidrojen bağları—, yoğunlaştırılmış fazların (sıvılar ve katılar) özellikleri üzerinde belirgin bir etkiye sahiptir. Örneğin, grup 15 (NH₃, PH₃, AsH₃, ve SbH₃), grup 16 (H₂O, H₂S, H₂Se, ve H₂Te) hidrürler ve grup 17 (HF, HCl, HBr, and HI) hidrürlerin ikili hidrürleri için kaynama noktalarındaki eğilimleri düşünün. Gruplar arasında ilerledikçe, moleküllerin kutupları biraz azalırken, moleküllerin boyutları önemli ölçüde artar. Giderek daha güçlü olan dispersiyon kuvvetlerinin etkisi, giderek daha zayıf olan dipol–dipol çekimlerinin etkisine hükmeder ve kaynama noktalarının istikrarlı bir şekilde arttığı gözlemlenir. Bu eğilimi kullanarak, her grup için en hafif hidrit için tahmin edilen kaynama noktaları yaklaşık −120 °C (NH₃ için), −80 °C (H₂O için) ve −110 °C (HF için) olacaktır. Bununla birlikte, bu bileşikler için ölçülen kaynama noktaları yaklaşık −33,34 °C (NH₃ için), 100 °C (H₂O için) ve 19,5 °C (HF için) olup, bunların tümü tahmin edilen trendlerden önemli ölçüde daha yüksektir. Saf tahminlerimiz ile gerçeklik arasındaki keskin zıtlık, hidrojen bağının gücüne dair ikna edici kanıtlar sağlıyor.

Polaritenin Karışabilirlik Üzerindeki Etkisi

Herhangi bir oranda homojen olarak karışabilen sıvıların karışabilir olduğu söyleniyor. Karışabilir sıvılar benzer kutuplara sahiptir. Örneğin, polar olan ve hidrojen bağlayabilen iki sıvı olan metanol (CH₃OH) ve suyu (H₂O) düşünün. Karıştırma sırasında, metanol ve su, moleküller arası hidrojen bağları yoluyla etkileşime girecek ve karışacaktır; bu nedenle karıştırılabilirler. Aynı şekilde, heksan (C₆H₁₄) ve brom (Br₂) gibi polar olmayan sıvılar, dispersiyon kuvvetleri yoluyla birbirleriyle karışabilir. “benzer benzeri çözer” kimyasal aksiyomu, bileşiklerin karışabilirliğini tahmin etmek için faydalıdır. Kayda değer ölçüde karışmayan iki sıvı, karışmaz olarak adlandırılır. Örneğin, polar olmayan hekzan, polar suya karışmaz. Heksan ve su arasındaki nispeten zayıf çekici kuvvetler, su molekülleri arasındaki daha güçlü hidrojen bağlama kuvvetlerini yeterince aşamaz.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır Openstax, Chemistry 2e, Section 10.1: Intermolecular forces. and Section 11.3: Solubility.