1.12 : Siły międzycząsteczkowe i właściwości fizyczne

Siły międzycząsteczkowe to siły przyciągające, które istnieją między cząsteczkami. Decydują o kilku właściwościach masowych, takich jak temperatura topnienia, temperatura wrzenia i rozpuszczalność (mieszalność) substancji. Na przykład ciecz o wysokiej temperaturze wrzenia, taka jak woda (H₂, temperatura wrzenia 100 °C), wykazuje silniejsze siły międzycząsteczkowe w porównaniu z cieczą o niskiej temperaturze wrzenia, taką jak heksan (C₆H₁₄, temperatura wrzenia 68,73 °C). Trzy rodzaje oddziaływań międzycząsteczkowych obejmują i) siły jon – dipol, ii) oddziaływania dipol – dipol oraz iii) siły van der Waalsa, które obejmują siły dyspersyjne Londona.

1. Siły jonowo-dipolowe

Siły jonowo-dipolowe to przyciąganie elektrostatyczne pomiędzy jonem a dipolem. Występują powszechnie w roztworach i odgrywają ważną rolę w rozpuszczaniu związków jonowych, takich jak KCl, w wodzie. Siła oddziaływań jon – dipol jest wprost proporcjonalna do i) ładunku jonu oraz ii) wielkości dipola cząsteczek polarnych.

2. Oddziaływania dipol-dipol

Cząsteczki polarne mają częściowy ładunek dodatni na jednym końcu i częściowy ładunek ujemny na drugim końcu cząsteczki — separacja ładunków zwana dipolem. Siła przyciągania między dwoma trwałymi dipolami nazywana jest przyciąganiem dipol-dipol — siłą elektrostatyczną między częściowo dodatnim końcem jednej cząsteczki polarnej a częściowo ujemnym końcem drugiej. Wiązanie wodorowe to rodzaj interakcji dipol-dipol między cząsteczkami z wodorem związanym z atomem o wysokiej elektroujemności, takim jak O, N lub F. Powstały częściowo dodatnio naładowany atom H w jednej cząsteczce (donor wiązania wodorowego) może silnie oddziaływać z wolną parą elektronów częściowo naładowanego ujemnie atomu O, N lub F na sąsiednich cząsteczkach (akceptor wiązania wodorowego). Wiązania wodorowe znacznie zwiększają temperaturę wrzenia.

3. Siły van der Waalsa i siły dyspersji Londona

Najsłabszą ze wszystkich sił są siły van der Waalsa, które zależą od odległości międzycząsteczkowych między atomami i cząsteczkami. Siły dyspersji Londona, stanowiące podzbiór sił van der Waalsa, powstają w wyniku interakcji między nienaładowanymi atomami/cząsteczkami w wyniku tymczasowych, spontanicznych zmian w rozkładzie elektronów. Wydaje się, że siła tych sił rośnie wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej ze względu na wzrost pola powierzchni. W rezultacie związki o wyższych masach cząsteczkowych będą na ogół wrzeć w wyższych temperaturach. Warto zauważyć, że rozgałęziony węglowodór (neopentan) ma zwykle mniejsze pole powierzchni niż jego odpowiedni izomer o prostym łańcuchu (n-pentan), a zatem ma niższą temperaturę wrzenia.

4. Rozpuszczalność związków organicznych w wodzie

Ciecze, które można jednorodnie wymieszać w dowolnej proporcji, nazywa się mieszalnymi. Ciecze mieszalne mają podobną polarność. Na przykład metanol i woda są polarne i zdolne do tworzenia wiązań wodorowych. Podczas mieszania metanol i woda oddziałują poprzez międzycząsteczkowe wiązania wodorowe o sile porównywalnej z oddziaływaniami metanol – metanol i woda – woda; dlatego są mieszalne. Podobnie ciecze niepolarne, takie jak heksan i brom, mieszają się ze sobą dzięki siłom dyspersji. Aksjomat chemiczny „podobne rozpuszcza się w podobnym” jest przydatny do przewidywania mieszalności związków. Dwie ciecze, które nie mieszają się w zauważalnym stopniu, nazywane są niemieszającymi się. Na przykład niepolarny heksan nie miesza się z wodą polarną. Stosunkowo słabe siły przyciągania pomiędzy heksanem i wodą nie pokonują odpowiednio silniejszych sił wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody.

Ten tekst jest adaptacją Openstax, Chemistry 2e, Section 10.1: Intermolecular Forces, Section 11.3: Solubility, and Chapter 10: Liquids and Solids.