Межмолекулярные силы

В увлекательном мире химии мы часто говорим о том, как атомы и молекулы связываются друг с другом. Эти взаимодействия определяют свойства веществ и известны как межмолекулярные силы. Эти силы отличаются от химических связей, которые удерживают атомы вместе в молекуле. Вместо этого они представляют собой силы, действующие между молекулами. Понимание этих сил помогает объяснить многие физические свойства веществ, такие как температура кипения, температура плавления и растворимость.

Типы межмолекулярных сил

Существует много типов межмолекулярных сил, главным образом из-за различных способов взаимодействия молекул. Основные типы межмолекулярных сил:

• Взаимодействие диполь – диполь
• Водородная связь
• Лондонская сила дисперсии

Взаимодействие диполь – диполь

Взаимодействия диполь-диполь происходят между полярными молекулами. Полярные молекулы имеют частичный положительный заряд на одном конце и частичный отрицательный заряд на другом, создавая постоянный дипольный момент. Эти молекулы выравнены таким образом, что положительный конец одной молекулы ближе к отрицательному концу другой молекулы.

        Пример: Хлороводород (HCl)
        Дипольный момент HCl сильный. 
        δ+ δ-
        H–Cl
    

В молекуле HCl хлор более электроотрицателен, чем водород, из-за чего связывающие электроны в связи H–Cl ближе к атому хлора. Это приводит к частичному отрицательному заряду (δ-) на хлоре и частичному положительному заряду (δ+) на водороде.

В пробе газа HCl молекулы будут испытывать диполь-дипольное притяжение, потому что противоположные заряды притягиваются друг к другу. Эти силы относительно сильны по сравнению с другими типами межмолекулярных сил, но слабее, чем ковалентные или ионные связи.

Водородная связь

Водородная связь - это особый тип взаимодействия диполь-диполь, но она значительно сильнее. Она возникает, когда водород связывается с сильно электроотрицательным атомом, таким как азот, кислород или фтор. Это заставляет водород иметь значительное количество положительного заряда и быть способным тесно взаимодействовать с неподелёнными парами электроноотрицательных атомов соседних молекул.

        Пример: Вода (H2O)
        В воде кислород связан с водородом.
        Oh   Oh
          |___H—O (водородная связь)
    

Пример водородной связи наблюдается в молекулах воды. Атом кислорода более электроотрицателен, чем водород, что создаёт дипольный момент. Молекулы воды могут образовывать водородные связи друг с другом, где атомы водорода одной молекулы притягиваются к атомам кислорода другой.

Водородные связи чрезвычайно важны в биологических структурах и функциях. Например, они играют ключевую роль в структуре белков и ДНК. Эти связи придают воде её уникальные свойства, такие как высокая поверхностное натяжение, температура кипения и способность растворять другие вещества.

Лондонская сила дисперсии

Лондонские силы дисперсии являются самыми слабыми межмолекулярными силами и присутствуют во всех молекулах, независимо от их полярности. Эти силы вызваны временными флуктуациями электронов внутри молекул, создавая временные диполи, которые затем индуцируют диполи в соседних молекулах.

        Временный диполь: Индуцированный диполь:  
        δ+ δ-  →  δ+ δ-
        [ne - ne] → [he - he]
    

Рассмотрим атомы неона в газообразном состоянии. В любой момент времени больше электронов может находиться на одной стороне атома, чем на другой, создавая мгновенный диполь. Этот мгновенный диполь может индуцировать диполь в соседнем атоме, приводя к слабому притяжению между ними.

Хотя по отдельности слабые, лондонские силы дисперсии значительны, когда суммируются по большому количеству взаимодействий. Они сильнее в более крупных и тяжелых атомах и в молекулах с большими, более богатыми электронами областями.

Факторы, влияющие на межмолекулярные силы

Несколько факторов влияют на силу и характер межмолекулярных сил:

• Типы присутствующих сил: водородные связи сильнее, чем взаимодействия диполь-диполь, которые сильнее, чем лондонские силы дисперсии.
• Размер и форма молекул: более крупные молекулы с большим количеством атомов имеют более сильные лондонские силы дисперсии.
• Полярность молекул: более полярные молекулы, как правило, имеют более сильные взаимодействия диполь-диполь.
• Наличие функциональных групп, которые могут участвовать в водородных связях.

Применение и значимость

Понимание межмолекулярных сил важно во многих областях:

• Температура кипения и плавления: Вещества с сильными межмолекулярными силами обычно имеют более высокие температуры кипения и плавления.
• Растворимость: Подобное растворяется в подобном; полярные растворители растворяют полярные вещества из-за тех же типов межмолекулярных сил.
• Биологические исследования: Кольца белков и структуры ДНК сильно зависят от водородных связей.
• Промышленные приложения: Создание новых материалов, таких как пластмассы и фармацевтические препараты, зависит от понимания межмолекулярных взаимодействий.

Заключение

Межмолекулярные силы играют фундаментальную роль в определении физических и химических свойств веществ. Они объясняют, почему вода является жидкостью при комнатной температуре, в то время как кислород - газ, и почему масло и вода не смешиваются. Изучая эти силы, мы получаем информацию о поведении материи и можем применить эти знания для решения научных и промышленных задач.

Комментарии