Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.10: Наслідки полярності зв'язку

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    2767

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Дві важливі фізичні властивості молекул (хоча це стосується в першу чергу малих молекул, а не макромолекул) - це їх температура плавлення і кипіння. Тут ми розглядаємо чистий зразок, який містить надзвичайно великі кількості молекули. Почнемо з температури, при якій проба рідка. Молекули рухаються відносно один одного, між молекулами відбуваються взаємодії, але вони перехідні - молекули постійно перемикають сусідів. У міру підвищення температури системи енергетика зіткнень тепер така, що всі взаємодії між сусідніми молекулами порушуються, а молекули відлітають один від одного. Якщо вони стикаються один з одним, вони не прилипають; зв'язок, який може утворитися, недостатньо міцний, щоб протистояти кінетичній енергії, що доставляється зіткненням з іншими молекулами. Кажуть, що молекули є газоподібним станом, а перехід від рідини до газу - точка кипіння. Аналогічно, починаючи з рідини, коли ми знижуємо температуру, взаємодії між молекулами стають більш тривалими, поки не буде досягнута така температура, що енергії, що передається через зіткнення, вже недостатньо для порушення взаємодії між молекулами 163. У міру того, як все більше молекул взаємодіють, сусіди стають постійними - рідина трансформувалася в тверде тіло. Поки рідини течуть і приймають форму своїх контейнерів, оскільки сусідні молекули вільно рухаються відносно один одного, тверді речовини зберігають свою форму, а сусідні молекули залишаються поміщеними. Температура, при якій рідина змінюється на тверду речовину, відома як температура плавлення. Ці температури позначають те, що відомі як фазові переходи: тверда до рідини та рідина до газу.

    На макроскопічному рівні ми бачимо досить драматичний вплив полярності зв'язку на температури плавлення і кипіння шляхом порівняння молекул аналогічного розміру з полярними зв'язками і без них і здатності утворювати Н-зв'язки. Наприклад, ні CH 4 (метан) і Ne (неон) не містять полярних зв'язків і не можуть утворювати внутрішньомолекулярні електростатичні взаємодії типу H-Bond. На відміну від NH 3 (аміак), H 2 O (вода) і FH (фтористий водень) мають три, дві і одну полярні зв'язки відповідно і можуть брати участь в одній або декількох внутрішньомолекулярних електростатичних взаємодіях типу H-Bond. Всі п'ять з'єднань мають однакову кількість електронів, десять. Коли ми дивимося на їх температури плавлення та кипіння, ми бачимо досить відразу, як наявність полярних зв'язків впливає на ці властивості.

    Зокрема, вода виділяється настільки ж різко відрізняється від решти молекул, зі значно вищою (> 70ºC) температурою плавлення та кипіння, ніж її сусіди. Так чому ж вода різна? Ну, крім наявності полярних ковалентних зв'язків, ми повинні розглянути геометрію молекули. Кожна молекула води може брати участь у чотирьох водневих зв'язкових взаємодіях з сусідніми молекулами - вона має два частково позитивних Hs і два частково негативних ділянки на своїй O. Ці ділянки потенційних електростатичних взаємодій типу H-Bond розташовані в майже тетрагональній геометрії. Завдяки такому розташуванню кожна молекула води може взаємодіяти через електростатичні взаємодії типу H-Bond з чотирма сусідніми молекулами води. Щоб видалити молекулу від сусідів, чотири електростатичні взаємодії типу H-Bond повинні бути порушені, що відносно легко, оскільки кожен з них досить слабкий. У рідкому стані молекули штовхаються один одного і постійно змінюють своїх партнерів електростатичної взаємодії типу H-Bond. Однак, навіть якщо вона зламана, молекула води залишається пов'язаною з декількома сусідами за допомогою електростатичних взаємодій типу H-Bond.

    Це молекулярне утримання рук призводить до високих температур плавлення та кипіння води, а також до її високого поверхневого натягу. Ми можемо виміряти силу поверхневого натягу різними способами. Найбільш очевидним є вага, який може витримати поверхня. Поверхневий натяг води має вирішуватися тими організмами, які взаємодіють з інтерфейсом рідина-газ. Деякі, як і водний страйдер, використовують його для круїзу по поверхні ставків. Коли водний страйдер ходить по поверхні води, молекули її ніг не утворюють електростатичних взаємодій типу H-Bond з молекулами води, вони, як кажуть, гідрофобні, хоча це явно погана назва - вони не бояться води, скоріше просто апатичні до неї. Гідрофобні молекули взаємодіють з іншими молекулами, включаючи молекули води, тільки через взаємодії ван дер Ваальса. Молекули, які можуть утворювати Н-зв'язки з водою, називаються гідрофільними. Коли молекули збільшуються в розмірах, вони можуть мати області, які є гідрофільними та області, які є гідрофобними (або гідроапатичними). Молекули, які мають різні гідрофобні та гідрофільні області, називаються амфіпатичними, і ми розглянемо їх більш детально в наступному розділі.

    Дописувачі та атрибуція