8.2: Міжмолекулярні сили

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21966

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

На що припадає ця мінливість? Чому одні речовини стають рідинами при дуже низьких температурах, а інші вимагають дуже високих температур, перш ніж вони стануть рідинами? Все залежить від сили міжмолекулярних сил (МВФ) між частинками речовин і кінетичних енергій (КЕ) його молекул. (Хоча іонні сполуки не складаються з дискретних молекул, ми все одно будемо використовувати термін міжмолекулярний для включення взаємодії між іонами в таких сполуках.) Речовини, які відчувають сильні міжмолекулярні взаємодії, вимагають більш високих температур, щоб стати рідинами і, нарешті, газами. Речовини, які відчувають слабкі міжмолекулярні взаємодії, не потребують багато енергії (як вимірюється температурою), щоб стати рідинами та газами, і будуть демонструвати ці фази при більш низьких температурах.

Три герметичні колби мають маркування: «Кристалічна тверда речовина», «Рідина» та «Газ» зліва направо. Перша колба тримає куб, що складається з маленьких сфер, що сидять на дні, тоді як друга колба показує багато маленьких сфер в дні, які розташовані на невеликій відстані один від одного і мають лінії навколо них, щоб позначити рух. Третя колба показує кілька сфер, розкинутих далеко один від одного, з більшими лініями для позначення руху. Є стрілка, спрямована вправо, яка охоплює верхню частину всіх трьох колб. Стрілка позначена: «Збільшення K E (температура)». Є стрілка, спрямована вліво, яка охоплює дно всіх трьох колб. Стрілка позначена: «Збільшення I M F» — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Переходи між твердим, рідким та газоподібним станами речовини відбуваються, коли умови температури або тиску сприяють пов'язаним змінам міжмолекулярних сил. (Примітка: Простір між частинками в газовій фазі набагато більше, ніж показано.)

Ковалентні мережеві матеріали

Речовини з найвищими температурами плавлення і кипіння мають ковалентне мережеве з'єднання. Цей тип міжмолекулярної взаємодії насправді є ковалентним зв'язком. У цих речовині всі атоми в зразку ковалентно пов'язані один з одним; по суті, весь зразок є по суті однією гігантською молекулою. Багато з цих речовин тверді в великому температурному діапазоні, тому що потрібно багато енергії, щоб порушити всі ковалентні зв'язки відразу. Одним із прикладів речовини, що показує ковалентне мережеве з'єднання, є алмаз (рис.\(\PageIndex{2}\)). Алмаз повністю складається з атомів вуглецю, кожен з яких пов'язаний з чотирма іншими атомами вуглецю в чотиригранній геометрії. Плавлення твердого тіла ковалентної мережі не здійснюється шляхом подолання відносно слабких міжмолекулярних сил. Швидше за все, всі ковалентні зв'язки повинні бути розірвані - процес, який вимагає надзвичайно високих температур. Алмаз, по суті, зовсім не плавиться. Натомість він випаровується до газу при температурі вище 3,500° C. алмаз надзвичайно твердий і є одним з небагатьох матеріалів, які можуть різати скло.

8.2.jpg — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Діамант. Алмаз, форма чистого вуглецю, має ковалентне мережеве з'єднання. Потрібно дуже висока температура - понад 3,500° C - для того, щоб алмаз залишив твердий стан. Джерело: Фото © Thinkstock

Іонні сполуки

Найсильнішою силою між будь-якими двома частинками є іонна зв'язок, в якій два іони протилежного заряду притягуються один до одного. Таким чином, іонні взаємодії між частинками - ще один вид міжмолекулярної взаємодії. Речовини, що містять іонні взаємодії, відносно сильно тримаються разом, тому ці речовини, як правило, мають високі температури плавлення та кипіння. Хлорид натрію (рис.\(\PageIndex{3}\)) - приклад речовини, частинки якого відчувають іонні взаємодії (табл.\(\PageIndex{1}\)). Ці привабливі сили іноді називають іонно-іонними взаємодіями.

8.3.jpg — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Хлорид натрію. Твердий NaCl утримується разом іонними взаємодіями. Джерело: Фото © Thinkstock

Ковалентні молекулярні сполуки

Існує дві різні ковалентні структури: молекулярна і мережева. Ковалентні мережеві сполуки, такі як SiO ₂ (кварц), мають структури атомів у мережі, як алмаз, описаний раніше. У цьому розділі ми маємо справу з молекулярним типом, який містить окремі молекули. Зв'язок між атомами в окремій молекулі є ковалентним, але сили привабливості між молекулами називаються міжмолекулярними силами (МВФ).

На відміну від внутрішньомолекулярних сил (див. Рис. 8.1.4), таких як ковалентні зв'язки, які утримують атоми разом в молекулах і багатоатомних іонів, міжмолекулярні сили утримують молекули разом в рідині або твердому тілі. Міжмолекулярні сили, як правило, набагато слабкіше ковалентних зв'язків. Наприклад, для подолання внутрішньомолекулярних сил і розриву обох O—H зв'язків в 1 моль води потрібно 927 кДж, але для подолання міжмолекулярних атракціонів і перетворення 1 моль рідкої води в водяну пару при 100° C (Незважаючи на це, здавалося б, низьке значення, міжмолекулярні сили в рідка вода є одними з найсильніших таких сил відомих!) З огляду на велику різницю в силах внутрішньо- і міжмолекулярних сил, зміни між твердим, рідким і газоподібним станами практично незмінно відбуваються для молекулярних речовин без розриву ковалентних зв'язків.

Показано зображення, на якому дві молекули, що складаються з зеленої сфери з міткою «C l», з'єднаних праворуч з білою сферою з міткою «H», знаходяться поруч одна з одною з пунктирною лінією з позначкою «Міжмолекулярна сила (слабка)», проведеної між ними. Лінія з'єднує дві сфери в кожній молекулі, і лінія позначена «Внутрішньомолекулярна сила (сильна)». — Малюнок\(\PageIndex{4}\): **Внутрішньомолекулярні** сили зберігають молекулу неушкодженою. **Міжмолекулярні** сили утримують кілька молекул разом і визначають багато властивостей речовини.

У цьому розділі ми обговоримо три типи МВФ в молекулярних сполуках: диполь-диполь, водневий зв'язок і лондонські сили дисперсії.

Диполь-дипольні міжмолекулярні сили

Як обговорювалося в розділі 4.4, ковалентний зв'язок, який має нерівний розподіл електронів, називається полярним ковалентним зв'язком. (Ковалентний зв'язок, який має рівний розподіл електронів, як і в ковалентному зв'язку з одним і тим же атомом з кожного боку, називається неполярної ковалентної зв'язком.) Молекула з чистим нерівномірним розподілом електронів в її ковалентних зв'язках - це полярна молекула. HF - приклад полярної молекули (див. Рис.

8.4.jpg — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Полярні ковалентні зв'язки. Електрони в молекулі ВЧ не поділяються однаково двома атомами в зв'язку. Оскільки атом фтору має дев'ять протонів у своєму ядрі, він притягує негативно заряджені електрони в зв'язку більше, ніж атом водню з одним протоном у своєму ядрі. Таким чином, електрони сильніше притягуються до атома фтору, що призводить до дисбалансу розподілу електронів між атомами. Фторна сторона зв'язку забирає частковий загальний негативний заряд (представлений Δ− на діаграмі), тоді як воднева сторона зв'язку має загальний частковий позитивний заряд (представлений Δ+ на діаграмі). Такий зв'язок називається *полярної ковалентної зв'язком*.

Поділ заряду в полярному ковалентному зв'язку не настільки екстремальний, як зустрічається в іонних сполуках, але є пов'язаний результат: протилежно заряджені кінці різних молекул будуть притягувати один одного. Цей тип міжмолекулярної взаємодії називається дипольно-дипольним взаємодією. Багато молекул з полярними ковалентними зв'язками відчувають дипольно-дипольні взаємодії.

Ковалентні зв'язки в деяких молекулах орієнтовані в просторі таким чином, що зв'язки в молекулах скасовують один одного назовні. Окремі зв'язки полярні, але завдяки молекулярній симетрії загальна молекула не полярна; скоріше, молекула неполярна. Такі молекули відчувають мало або взагалі не мають дипольно-дипольних взаємодій. Вуглекислий газ (CO ₂) і чотирихлористий вуглець (CcL ₄) - приклади таких молекул (рис.\(\PageIndex{6}\)).

8.5.jpg — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Неполярні молекули. Хоча окремі зв'язки як в CO ₂, так і в cCl ₄ є полярними, їх ефекти скасовуються через просторової орієнтації зв'язків у кожній молекулі. В результаті такі молекули відчувають мало або взагалі не відчувають дипольно-дипольної взаємодії.

Нагадаємо з розділів 4.4 і 4.5, про хімічний зв'язок і молекулярну геометрію, що полярні молекули мають частковий позитивний заряд з одного боку і частковий негативний заряд з іншого боку молекули - поділ заряду, який називається диполем. Розглянемо полярну молекулу, таку як хлористий водень, HCl. У молекулі HCl більш електронегативний атом Cl несе частковий негативний заряд, тоді як менш електронегативний атом Н несе частковий позитивний заряд. Приваблива сила між молекулами HCl виникає внаслідок тяжіння між позитивним кінцем однієї молекули HCl та негативним кінцем іншої. Ця сила привабливості називається дипольно-дипольним притяганням - електростатичною силою між частково позитивним кінцем однієї полярної молекули та частково негативним кінцем іншої, як показано на малюнку\(\PageIndex{7}\).

Дві пари молекул показані, де кожна молекула має одну більшу синю сторону з позначкою «знак дельти, негативний знак» і меншу червону сторону, позначену «знак дельти, позитивний знак». У першій парі червоні сторони двох молекул обидві звернені вліво, а синя сторона праворуч. Між ними лежить горизонтальна пунктирна лінія. У другій парі молекули звернені вгору і вниз, з червоним і синім кінцями вирівнюються. Горизонтальна пунктирна лінія лежить між червоним і синім кінцями, зверненими вгору, а інший лежить між червоним і синім кінцями, зверненими вниз. — Рисунок\(\PageIndex{7}\): На цьому зображенні показано два розташування полярних молекул, таких як HCl, які дозволяють притягання між частковим негативним кінцем однієї молекули та частковим позитивним кінцем іншої.

Ефект дипольно-дипольного тяжіння очевидний, коли ми порівнюємо властивості молекул HCl з неполярними молекулами F ₂. І HCl, і F ₂ складаються з однакової кількості атомів і мають приблизно однакову молекулярну масу. При температурі 150 К молекули обох речовин мали б однакову середню кінетичну енергію. Однак дипольно-дипольних атракціонів між молекулами HCl достатньо, щоб змусити їх «склеюватися», утворюючи рідину, тоді як відносно слабкі сили дисперсії між неполярними молекулами F ₂ не є, і тому ця речовина газоподібна при цій температурі. Вища нормальна температура кипіння HCl (188 K) порівняно з F ₂ (85 K) є відображенням більшої сили дипольно-дипольних атракціонів між молекулами HCl, порівняно з атракціонами між неполярними молекулами F ₂. Ми часто будемо використовувати такі значення, як кипіння або точки замерзання, як показники відносної сили IMF тяжіння, присутніх у різних речовині.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Передбачте, яка буде мати більш високу температуру кипіння: N ₂ або CO. Поясніть свої міркування.

Рішення

CO і N ₂ є двоатомними молекулами з масою близько 28 ам, тому вони відчувають подібні лондонські сили дисперсії. Оскільки СО є полярною молекулою, вона відчуває дипольно-дипольні атракціони. Оскільки N ₂ неполярний, його молекули не можуть демонструвати дипольно-дипольні атракціони. Дипольно-дипольні атракціони між молекулами СО порівняно сильніші, ніж сили дисперсії між неполярними молекулами N ₂, тому CO, як очікується, матиме вищу температуру кипіння.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Передбачте, яка буде мати більш високу температуру кипіння:\(\ce{ICl}\) або\(\ce{Br2}\). Поясніть свої міркування.

Відповідь: iCl. iCl і Br ₂ мають подібні маси (~ 160 аму) і тому відчувають подібні лондонські сили розсіювання. iCl є полярним і, таким чином, також демонструє дипольно-дипольні атракціони; Br ₂ неполярний і не має. Відносно сильніші дипольно-дипольні атракціони вимагають більше енергії для подолання, тому iCl матиме вищу температуру кипіння.

Міжмолекулярні сили зв'язку водню

Молекули з атомами водню, пов'язані з електронегативними атомами, такими як O, N і F, як правило, виявляють надзвичайно сильні міжмолекулярні взаємодії через особливо сильний тип дипольно-дипольного тяжіння, який називається водневим зв'язком. Дуже велика різниця в електронегативності між атомом H (2.1) і атомом, з яким він пов'язаний (4,0 для атома F, 3,5 для атома O або 3,0 для атома N), в поєднанні з дуже малим розміром атома H і відносно малими розмірами атомів F, O або N, призводить до висококонцентрованого часткові заряди з цими атомами. Оскільки атом водню не має ніяких електронів, крім тих, що знаходяться в ковалентному зв'язку, його позитивно заряджене ядро майже повністю піддається впливу, дозволяючи сильні притягання до інших сусідніх одиноких пар електронів.

Приклади водневих зв'язків включають HFHF, H ₂ OHOH і H ₃ NHNH ₂, в яких водневі зв'язки позначаються точками. Малюнок\(\PageIndex{8}\) ілюструє водневий зв'язок між молекулами води. На фізичні властивості води, яка має дві O—H зв'язку, сильно впливає наявність водневого зв'язку між молекулами води. Більшість молекулярних сполук, які мають масу, подібну до води, є газами кімнатної температури. Однак через міцних водневих зв'язків молекули води здатні залишатися конденсованими в рідкому стані.

П'ять молекул води показані поруч одна з одною, але не торкаючись. Пунктирна лінія лежить між багатьма атомами водню на одній молекулі та атомом кисню на іншій молекулі. — Малюнок\(\PageIndex{8}\): Молекули води беруть участь у множинних взаємодіях водню з сусідніми молекулами води.

Водневий зв'язок - це міжмолекулярна сила притягання, в якій атом водню, ковалентно пов'язаний з малим, високоелектронегативним атомом, притягується до самотньої пари електронів на атом в сусідній молекулі. На малюнку\(\PageIndex{9}\) показано, як молекули метанолу (CH ₃ OH) відчувають водневий зв'язок. Метанол містить як атом водню, приєднаний до O; метанол може таким чином утворювати водневі зв'язки, виступаючи або донором водневих зв'язків, або акцептором водневих зв'язків (одиночна пара). Водень зв'язана структура метанолу виглядає наступним чином:

альт — Малюнок\(\PageIndex{9}\): Молекули метанолу беруть участь у множинних взаємодіях з водневими молекулами води.

Незважаючи на використання слова «зв'язок», майте на увазі, що водневі зв'язки - це міжмолекулярні сили привабливості, а не внутрішньомолекулярні сили притягання (ковалентні зв'язки). Водневі зв'язки набагато слабкіше ковалентних зв'язків, але, як правило, набагато сильніші, ніж інші дипольно-дипольні атракціони та сили дисперсії.

Вплив водневого зв'язку на точки кипіння

Розглянемо сполуки диметилеефіру (СН ₃ ОСН ₃), етанолу (СН ₃ СН ₂ ОН) і пропану (СН ₃ СН ₂ СН ₃). Їх температури кипіння, не обов'язково в порядку, складають −42,1° C, −24,8° C і 78,4° C. Поясніть свої міркування.

Рішення

Форми СН ₃ ОЧ ₃, СН ₃ СН ₂ ОН і СН ₃ СН ₂ СН ₃ схожі, як і їх молярні маси (46 г/моль, 46 г/моль і 44 г/моль відповідно), тому вони будуть проявляти подібні сили дисперсії. Оскільки CH ₃ CH ₂ CH ₃ є неполярним, він може проявляти лише сили розсіювання. Оскільки CH ₃ OCH ₃ є полярним, він також відчує дипольно-дипольні атракціони. Нарешті, CH ₃ CH ₂ OH має групу −OH, і тому він відчує унікальне сильне дипольно-дипольне притягання, відоме як водневе з'єднання. Отже, впорядкування з точки зору міцності ІМФ і, отже, температури кипіння, становить СН ₃ СН ₂ СН ₃ < СН ₃ ОЧ ₃ < СН ₃ СН ₂ ОН. Температура кипіння пропану становить -42,1° C, температура кипіння диметилеефіру - −24,8° C, а температура кипіння етанолу - 78,5° C.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Етан (CH ₃ CH ₃) має температуру плавлення −183 °C і температуру кипіння −89 °С, прогнозують температуру плавлення та кипіння метиламіну (CH ₃ NH ₂). Поясніть свої міркування.

Відповідь: Прогнозується, що температура плавлення та температура кипіння метиламіну будуть значно більшими, ніж температура плавлення етану. CH ₃ CH ₃ і CH ₃ NH ₂ схожі за розміром і масою, але метиламін має групу −NH і тому може проявляти водневий зв'язок. Це значно збільшує його IMF, а отже, і температури плавлення і кипіння. Важко передбачити значення, але відомі значення - температура плавлення −93° C і температура кипіння −6° C.

Водневий зв'язок і ДНК

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) міститься в кожному живому організмі і містить генетичну інформацію, яка визначає особливості організму, забезпечує план виготовлення білків, необхідних для життя, і служить шаблоном для передачі цієї інформації потомству організму. Молекула ДНК складається з двох (анти-) паралельних ланцюгів повторюваних нуклеотидів, які утворюють її добре відому подвійну спіральну структуру, як показано на малюнку\(\PageIndex{10}\).

Показано два зображення. Перший лежить на лівій стороні сторінки і показує гвинтову конструкцію, подібну до крученої сходи, де ступені сходів, позначені «Базова пара», є червоними, жовтими, зеленими і синіми парними смугами. Червоні та жовті смуги, які завжди парні разом, позначені в легенді, яка називається «Азотисті основи» як «аденін» та «тимін» відповідно. Синій і зелений смуги, які завжди парні разом, позначені в легенді як «гуанін» і «цитозин» відповідно. У верхній частині гвинтової структури ліва бічна рейка, або «Цукор, тире, фосфатна магістраль» позначена як «3, простий», а права позначена як «5, простий». Ці мітки перевернуті в нижній частині спіралі. Праворуч від сторінки розташована велика структура Льюїса. У верхньому лівому куті цієї структури з позначкою «5, простий» зображений атом фосфору, єдиний пов'язаний з трьома атомами кисню, один з яких має наднадскриптований негативний заряд, і подвійно пов'язаний з четвертим атомом кисню. Один з одиночних зв'язаних атомів кисню є одинарним зв'язаним з лівим кутом п'ятичленного кільця з атомом кисню у верхній точці і який є єдиним зв'язаним з атомом кисню в нижній лівій частині. Цей атом кисню є одиночним зв'язаним з атомом фосфору, який є одинарним зв'язаним з двома іншими атомами водню і подвійним зв'язаним з четвертим атомом кисню. Нижній лівий від цих атомів кисню є одинарним зв'язаним з іншим атомом кисню, який є єдиним зв'язаним з п'ятичленним кільцем з киснем у верхньому місці зв'язку. Нижня ліва частина цього кільця має гідроксильну групу, прикріплену до нього, тоді як верхній правий вуглець є одинарним зв'язаним з атомом азоту, який є частиною п'ятичленного кільця, пов'язаного з шестичленним кільцем. Обидва ці кільця мають точки ненасичення і атоми азоту, пов'язані з їх структурами. На правій стороні шестичленного кільця розташовані дві одинарні амінні групи і подвійний зв'язаний кисень. Три окремі пунктирні лінії простягаються від цих ділянок до відповідних ділянок на другому шестичленному кільці. Це кільце має точки ненасичення та атом азоту в правому нижньому положенні зв'язку, який є одинарним, пов'язаним з п'ятичленним кільцем у правій частині зображення. Це кільце є одинарним зв'язаним з вуглецем, який є єдиним зв'язаним з киснем, який є єдиним зв'язаним з фосфором. Фосфор поодиноко пов'язаний з двома іншими атомами кисню і подвійно пов'язаний з четвертим атомом кисню. Ця група має маркування «5, простий». П'ятичленне кільце також пов'язане з верхньої сторони з киснем, який пов'язаний з фосфором сингл, пов'язаний з двома іншими атомами кисню і подвійно пов'язаний з четвертим атомом кисню. Верхній лівий кисень цієї групи є одинарним зв'язаним з вуглецем, який є одинарним зв'язаним з п'ятичленним кільцем з киснем в нижньому положенні зв'язку. Це кільце має гідроксильну групу на верхній правій стороні, яка позначена «3, просте» і пов'язане з лівого боку з азотом, який є членом п'ятичленного кільця. Це кільце пов'язане з шестичленним кільцем і обидва мають точки ненасиченості. Це кільце має азот з лівого боку, а також амінну групу, які мають дві пунктирні лінії, що ведуть від них до киснево-амінної групи на шестичленному кільці. Ці пунктирні лінії мають маркування «Водневі зв'язки». Шестичленне кільце також має подвійний пов'язаний кисень на нижній стороні і атом азоту на лівій стороні, який є одинарним зв'язаним з п'ятичленним кільцем. Це кільце з'єднується з двома фосфатними групами, згаданими на початку цього, утворюючи велике коло. Назва «гуанін» написано нижче лівої нижньої частини цього зображення, тоді як назва «цитозин» написано внизу праворуч. Назва «тимін» написано над правою стороною зображення, а вгорі праворуч написано «аденін». Під зображеннями вказані три розділи, де зліва позначено «Цукор, тире, фосфатна магістраль», посередині позначено «Основи», а праворуч позначено «Цукор, тире, фосфатна магістраль». — Малюнок\(\PageIndex{10}\): Дві окремі молекули ДНК утворюють дволанцюгову спіраль, в якій молекули утримуються разом за допомогою водневого зв'язку. (кредит: модифікація твору Джерома Уокера, Денніса Мітса)

Кожен нуклеотид містить (дезоксирибозу) цукор, пов'язаний з фосфатною групою з одного боку, і один з чотирьох азотистих підстав з іншого. Дві основи, цитозин (С) і тимін (Т), є однокільцевими структурами, відомими як піримідини. Інші два, аденін (А) і гуанін (G), є двокільцевими структурами, які називаються пуринами. Ці основи утворюють комплементарні пари основ, що складаються з одного пурину і одного піримідину, з аденіном спаровування з тиміном, і цитозин з гуаніном. Кожна базова пара скріплюється водневим зв'язком. А і Т поділяють дві водневі зв'язки, C і G поділяють три, і обидві пари мають аналогічну форму і структуру (рис.\(\PageIndex{11}\)

Показана велика структура Льюїса. У верхньому лівому куті цієї структури з позначкою «5, простий» зображений атом фосфору, єдиний пов'язаний з трьома атомами кисню, один з яких має наднадскриптований негативний заряд, і подвійно пов'язаний з четвертим атомом кисню. Один з одиночних зв'язаних атомів кисню є одинарним зв'язаним з лівим кутом п'ятичленного кільця з атомом кисню у верхній точці і який є єдиним зв'язаним з атомом кисню в нижній лівій частині. Цей атом кисню є одиночним зв'язаним з атомом фосфору, який є одинарним зв'язаним з двома іншими атомами водню і подвійним зв'язаним з четвертим атомом кисню. Нижній лівий від цих атомів кисню є одинарним зв'язаним з іншим атомом кисню, який є єдиним зв'язаним з п'ятичленним кільцем з киснем у верхньому місці зв'язку. Нижня ліва частина цього кільця має гідроксильну групу, прикріплену до нього, тоді як верхній правий вуглець є одинарним зв'язаним з атомом азоту, який є частиною п'ятичленного кільця, пов'язаного з шестичленним кільцем. Обидва ці кільця мають точки ненасичення і атоми азоту, пов'язані з їх структурами. На правій стороні шестичленного кільця розташовані дві одинарні амінні групи і подвійний зв'язаний кисень. Три окремі пунктирні лінії простягаються від цих ділянок до відповідних ділянок на другому шестичленному кільці. Це кільце має точки ненасичення та атом азоту в правому нижньому положенні зв'язку, який є одинарним, пов'язаним з п'ятичленним кільцем у правій частині зображення. Це кільце є одинарним зв'язаним з вуглецем, який є єдиним зв'язаним з киснем, який є єдиним зв'язаним з фосфором. Фосфор поодиноко пов'язаний з двома іншими атомами кисню і подвійно пов'язаний з четвертим атомом кисню. Ця група має маркування «5, простий». П'ятичленне кільце також пов'язане з верхньої сторони з киснем, який пов'язаний з фосфором сингл, пов'язаний з двома іншими атомами кисню і подвійно пов'язаний з четвертим атомом кисню. Верхній лівий кисень цієї групи є одинарним зв'язаним з вуглецем, який є одинарним зв'язаним з п'ятичленним кільцем з киснем в нижньому положенні зв'язку. Це кільце має гідроксильну групу на верхній правій стороні, яка позначена «3, просте» і пов'язане з лівого боку з азотом, який є членом п'ятичленного кільця. Це кільце пов'язане з шестичленним кільцем і обидва мають точки ненасиченості. Це кільце має азот з лівого боку, а також амінну групу, які мають дві пунктирні лінії, що ведуть від них до киснево-амінної групи на шестичленному кільці. Ці пунктирні лінії мають маркування «Водневі зв'язки». Шестичленне кільце також має подвійний пов'язаний кисень на нижній стороні і атом азоту на лівій стороні, який є одинарним зв'язаним з п'ятичленним кільцем. Це кільце з'єднується з двома фосфатними групами, згаданими на початку цього, утворюючи велике коло. Назва «гуанін» написано нижче лівої нижньої частини цього зображення, тоді як назва «цитозин» написано внизу праворуч. Назва «тимін» написано над правою стороною зображення, а вгорі праворуч написано «аденін». Під зображеннями вказані три розділи, де зліва позначено «Цукор, тире, фосфатна магістраль», посередині позначено «Основи», а праворуч позначено «Цукор, тире, фосфатна магістраль». — Малюнок\(\PageIndex{11}\): Геометрія молекул основи призводить до максимального водневого зв'язку між аденіном та тиміном (АТ) та між гуаніном та цитозином (ГК), так званими «комплементарними парами основи».

Сукупний ефект мільйонів водневих зв'язків ефективно утримує дві нитки ДНК разом. Важливо, що дві нитки ДНК можуть відносно легко «розпакувати» вниз по середині, оскільки водневі зв'язки відносно слабкі порівняно з ковалентними зв'язками, які утримують атоми окремих молекул ДНК разом. Це дозволяє обом пасмам функціонувати як шаблон для реплікації.

Лондон Дисперсійні сили

Нарешті, між усіма молекулами є сили, викликані електронами, що знаходяться в різних місцях молекули в будь-який час, що встановлює тимчасове відділення заряду, яке зникає майже як тільки він з'являється. Це дуже слабкі міжмолекулярні взаємодії і називаються силами дисперсії (або лондонськими силами). (Альтернативна назва - лондонські сили розсіювання.) Молекули, які не відчувають іншого типу міжмолекулярної взаємодії, принаймні відчують сили дисперсії. Речовини, які відчувають лише сили дисперсії, зазвичай м'які в твердій фазі і мають відносно низькі температури плавлення. Приклади включають воски, які є довгими вуглеводневими ланцюгами, які є твердими речовинами при кімнатній температурі, оскільки молекули мають стільки електронів. Отримані сили дисперсії між цими молекулами змушують їх приймати тверду фазу при нормальних температурах.

Сили дисперсії, що розвиваються між атомами в різних молекулах, можуть притягувати дві молекули один до одного. Однак сили відносно слабкі і стають значними лише тоді, коли молекули знаходяться дуже близько. Більші та важчі атоми та молекули виявляють сильніші сили дисперсії, ніж менші та легші атоми та молекули. F ₂ і Cl ₂ - гази кімнатної температури (відображають слабші сили притягання); Br ₂ - рідина, а I ₂ - тверда речовина (відображає більш сильні сили тяжіння). Тенденції спостережуваних температур плавлення і кипіння галогенів наочно демонструють цей ефект, як видно з таблиці 8.1.2.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): **Точки плавлення і кипіння галогенів**
Галогенні	Молярна маса	Атомний радіус	Точка плавлення	Точка кипіння
фтор, F ₂	38 г/моль	72 вечора	53 КМ	85 КМ
хлор, Cl ₂	71 г/моль	9 вечора	172 КМ	238 КМ
бром, Br ₂	160 г/моль	114 вечора	266 КМ	332 КМ
йод, I ₂	254 г/моль	133 вечора	387 КМ	457 КМ
астатину, В ₂	420 г/моль	150 вечора	575 КМ	610 КМ

Збільшення температури плавлення та кипіння зі збільшенням атомного/молекулярного розміру може бути раціоналізовано, враховуючи, як на силу сил дисперсії впливає електронна структура атомів або молекул речовини. У більшому атомі валентні електрони знаходяться, в середньому, далі від ядер, ніж в меншому атомі. Таким чином, вони менш міцно утримуються і можуть легше утворювати тимчасові диполі, які виробляють тяжіння. Міра того, наскільки легко або важко інший електростатичний заряд (наприклад, сусідній іон або полярна молекула) спотворює розподіл заряду молекули (її електронна хмара), відома як поляризуваність. Молекула, яка має хмару заряду, яка легко спотворюється, вважається дуже поляризованою і матиме великі сили дисперсії; одна з хмарою заряду, яку важко спотворювати, не дуже поляризується і матиме малі сили дисперсії.

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Замовте наступні сполуки елемента 14 групи та водню від найнижчої до найвищої температури кипіння: CH ₄_{, SiH} _{4, GeH 4} та SnH ₄. Поясніть свої міркування.

Рішення

Застосовуючи навички, набуті в розділі про хімічне зв'язування та молекулярну геометрію, всі ці сполуки прогнозуються як неполярні, тому вони можуть відчувати лише сили дисперсії: чим менше молекула, тим менше поляризуються і слабкіші сили дисперсії; чим більше молекула, тим більше сили розсіювання. Молярні маси СН ₄, SiH ₄, GeH ₄ і SnH ₄ складають приблизно 16 г/моль, 32 г/моль, 77 г/моль і 123 г/моль відповідно. Тому очікується, що CH ₄ матиме найнижчу температуру кипіння, а SnH ₄ - найвищу температуру кипіння. Очікується, що замовлення від найнижчої до найвищої температури кипіння буде

СН ₄ < SiH ₄ < ГеГ ₄ < SnH ₄

Графік фактичних температур кипіння цих сполук у порівнянні з періодом групи 14 елементів показує, що це прогноз є правильним:

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Замовте наступні вуглеводні від найнижчої до найвищої температури кипіння: C ₂ H ₆, C ₃ H ₈, і C ₄ H ₁₀.

Відповідь

Всі ці сполуки неполярні і мають лише лондонські сили дисперсії: чим більше молекула, тим більші сили дисперсії і тим вище температура кипіння. Тому замовлення від найнижчої до найвищої температури кипіння

С ₂ Н ₆ < С ₃ Н ₈ < С ₄ Н ₁₀.

Застосування: Гекони та міжмолекулярні сили

Гекони мають дивовижну здатність прилипати до більшості поверхонь. Вони можуть швидко розбігатися по гладких стінам і поперек стель, які не мають ніжок, і вони роблять це, не маючи присосок або липкої речовини на пальцях ніг. І хоча гекон може легко піднімати ноги, коли він ходить по поверхні, якщо ви намагаєтеся підняти його, він прилипає до поверхні. Як гекони (а також павуки і деякі інші комахи) здатні це зробити? Хоча це явище досліджувалося протягом сотень років, вчені лише нещодавно розкрили деталі процесу, який дозволяє ногам гекона вести себе таким чином.

Показані три цифри. Перший - фото нижньої частини лапки гекона. Другий - більша версія, яка показує щетинки. Третій - більший варіант щетинок і показує шпателі. — Малюнок\(\PageIndex{12}\): Пальці ніг Гекоса містять велику кількість крихітних волосків (щетинок), які розгалужуються на безліч трикутних кінчиків (шпателей). Гекони прилипають до поверхонь через пам'ятки ван дер Ваальса між поверхнею і мільйони шпателей геккона. Змінюючи спосіб контакту шпателей з поверхнею, гекони можуть «ввімкнути» і «вимкнути» їх липкість. (Фото кредиту: модифікація роботи «JC*+A!» /Flickr)

Пальці ніг Геккоса покриті сотнями тисяч крихітних волосків, відомих як щетинки, з кожною сіткою, в свою чергу, розгалужується на сотні крихітних, плоских, трикутних кінчиків, які називаються шпателями. Величезна кількість шпателей на його щетинках забезпечують гекон, показаний на малюнку 8.1.12, з великою загальною площею поверхні для прилипання до поверхні. У 2000 році Келлар Осінь, який очолює багатоінституційну дослідницьку групу геконів, виявив, що гекони однаково добре дотримувалися як полярного діоксиду кремнію, так і неполярного арсеніду галію. Це довело, що гекони прилипають до поверхонь через сили дисперсії — слабкі міжмолекулярні атракціони, що виникають внаслідок тимчасових синхронізованих розподілів зарядів між сусідніми молекулами. Хоча сили розсіювання дуже слабкі, загальна привабливість понад мільйони шпателей досить велика, щоб підтримувати багато разів вагу геккона.

У 2014 році двоє вчених розробили модель, щоб пояснити, як гекони можуть швидко переходити від «липкого» до «нелипкого». Алекс Гріні та Конгконг Ху з Університету штату Орегон описали, як гекони можуть досягти цього, змінюючи кут між шпателями та поверхнею. Ноги Геккоса, які зазвичай не липкі, стають липкими, коли застосовується невелика сила зсуву. Завиваючи і розкручуючи пальці ніг, гекони можуть чергувати прилипання і відклеювання від поверхні, і, таким чином, легко переміщатися по ній. Подальші дослідження можуть врешті-решт призвести до розробки кращих клеїв та інших застосувань.

Точки кипіння та типи склеювання

Для того щоб речовина увійшло в газову фазу, його частинки повинні повністю подолати міжмолекулярні сили, що утримують їх разом. Тому порівняння точок кипіння по суті еквівалентно порівнянню сильних сторін привабливих міжмолекулярних сил, що виявляються окремими молекулами. Для малих молекулярних сполук лондонські сили дисперсії є найслабшими міжмолекулярними силами. Диполь-дипольні сили дещо сильніші, а водневий зв'язок є особливо сильною формою дипольно-дипольної взаємодії. Однак, коли маса неполярної молекули досить велика, її сили дисперсії можуть бути сильнішими, ніж дипольно-дипольні сили в більш легкій полярній молекулі. Таким чином, неполярний Cl ₂ має більш високу температуру кипіння, ніж полярний HCl.

Таблиця\(\PageIndex{3}\): Міжмолекулярні сили та точки кипіння
Речовина	Найсильніша міжмолекулярна сила	Точка кипіння\(\left( ^\text{o} \text{C} \right)\)
\(\ce{H_2}\)	дисперсія	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">-253
\(\ce{Ne}\)	дисперсія	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">-246
\(\ce{O_2}\)	дисперсія	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">-183
\(\ce{Cl_2}\)	дисперсія	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">-34
\(\ce{HCl}\)	диполь-диполь	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">-85
\(\ce{HBr}\)	диполь-диполь	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">-66
\(\ce{H_2S}\)	диполь-диполь	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">-61
\(\ce{NH_3}\)	водневий зв'язок	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">-33
\(\ce{HF}\)	водневий зв'язок	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">20
\(\ce{H_2O}\)	водневий зв'язок	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; "> 100

Приклад\(\PageIndex{4}\): Intermolecular Forces

Які міжмолекулярні сили крім сил дисперсії, якщо такі є, існують в кожній речовині? Чи є які-небудь з цих речовин тверді речовини при кімнатній температурі?

хлорид калію (KCl)
етанол (С ₂ Н ₅ ОН)
бром (Br ₂)

Рішення

Хлорид калію складається з іонів, тому міжмолекулярна взаємодія в хлориді калію є іонними силами. Оскільки іонні взаємодії є сильними, можна очікувати, що хлорид калію є твердою речовиною при кімнатній температурі.
Етанол має атом водню, прикріплений до атома кисню, тому він зазнає водневого зв'язку. Якщо водневе з'єднання досить міцне, етанол може бути твердим речовиною при кімнатній температурі, але це важко знати напевно. (Етанол насправді є рідиною кімнатної температури.)
Елементарний бром має два атоми брому, ковалентно пов'язані один з одним. Оскільки атоми по обидва боки ковалентного зв'язку однакові, електрони в ковалентному зв'язку поділяються порівну, а зв'язок - неполярний ковалентний зв'язок. Таким чином, двоатомний бром не має ніяких міжмолекулярних сил, крім сил дисперсії. Навряд чи буде твердим речовиною при кімнатній температурі, якщо сили розсіювання не будуть досить сильними. Бром - рідина кімнатної температури.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

метиламін (СН ₃ NH ₂)
сульфат кальцію (CaSO ₄)
чадний газ (СО)

Відповідь

а. диполь-дипольний, водневий зв'язок

б. іонні сили (тверде тіло при кімнатній температурі)

c. диполь-диполь

Концепція Огляд вправи

1. Які типи міжмолекулярних взаємодій можуть існувати в сполуках?

2. У чому різниця між ковалентною мережею і ковалентними молекулярними сполуками?

Відповідь

1. іонний зв'язок, мережевий ковалент, сили дисперсії, дипольно-дипольні взаємодії та водневий зв'язок.

2. Ковалентні мережеві сполуки містять атоми, ковалентно пов'язані з іншими окремими атомами в гігантській тривимірній мережі. Ковалентні молекулярні сполуки містять окремі молекули, які притягуються один до одного за допомогою дисперсії, диполь-дипольного або водневого зв'язку.

Ключові виноси

Фаза - це форма матерії, яка має однакові фізичні властивості у всьому.
Молекули взаємодіють між собою за допомогою різних сил: дипольно-дипольних взаємодій, водневого зв'язку та сил дисперсії.
Диполь-дипольні атракціони є результатом електростатичного тяжіння часткового негативного кінця однієї диполярної молекули для часткового позитивного кінця іншої.
Водневі зв'язки - це особливий тип дипольно-дипольного тяжіння, який виникає, коли водень пов'язаний з одним з трьох найбільш електронегативних елементів: F, O або N.
Тимчасовий диполь, що виникає в результаті руху електронів в атомі, може викликати диполь у сусідньому атомі і породжувати лондонську силу дисперсії. Лондонські сили збільшуються зі збільшенням молекулярних розмірів.

Вправи

Перелічіть три загальні фази в тому порядку, в якому ви, ймовірно, їх знайдете - від найнижчої температури до найвищої температури.
Перерахуйте три загальні фази в тому порядку, в якому вони існують від найнижчої енергії до найвищої енергії.
Перерахуйте ці міжмолекулярні взаємодії від найслабших до найсильніших: лондонські сили, водневий зв'язок та іонні взаємодії.
Перелічіть ці міжмолекулярні взаємодії від найслабших до найсильніших: зв'язок ковалентної мережі, дипольно-дипольні взаємодії та сили дисперсії.
Який тип міжмолекулярної взаємодії переважає в кожній речовині?
1. вода (Н ₂ О)
2. сульфат натрію (Na ₂ SO ₄)
3. декан (С ₁₀ Н ₂₂)
Який тип міжмолекулярної взаємодії переважає в кожній речовині?
1. алмаз (С, кристал)
2. гелій (He)
3. аміак (NH ₃)
Поясніть, як молекула, як вуглекислий газ (CO ₂), може мати полярні ковалентні зв'язки, але бути неполярною в цілому.
Діоксид сірки (SO ₂) має формулу, подібну до формули вуглекислого газу (див. Вправа 7), але в цілому є полярною молекулою. Що можна зробити висновок про форму молекули SO ₂?
Які фізичні властивості речовин, які відчувають ковалентне мережеве з'єднання?
Які фізичні властивості речовин, які відчувають лише сили дисперсії?

Відповіді

тверді, рідкі та газові

2. тверді, рідкі та газові

Лондонські сили, водневі зв'язки та іонні взаємодії

4. дисперсія, диполь-диполь, мережева ковалентна

1. водневий зв'язок
2. іонні взаємодії
3. сили розсіювання

6. a. мережевий ковалентний

б. дисперсія

c. водневий зв'язок

Дві ковалентні зв'язки орієнтовані таким чином, що їх диполі скасовуються.

8. SO ₂ не є лінійною молекулою. Має зігнуту або V-подібну форму.

9. дуже твердий, висока температура плавлення

10. дуже м'яка, дуже низька температура плавлення