10.2: Міжмолекулярні сили

Мета навчання

• Віднесіть фазу з міжмолекулярними силами.

Чому речовина має ту фазу, яку вона робить? Переважною фазою речовини при заданому наборі умов є баланс між енергією частинок і міжмолекулярними силами (або міжмолекулярними взаємодіями) між частинками. Якщо сили між частинками досить сильні, то речовина являє собою рідину або, якщо сильніше, тверде тіло. Якщо сили між частинками слабкі і присутня достатня енергія, частинки відокремлюються один від одного, тому газова фаза є кращою фазою. Енергія частинок в основному визначається температурою, тому температура є основною змінною, яка визначає, яка фаза стабільна в будь-якій заданій точці.

Які сили визначають міжмолекулярні взаємодії? Їх кілька. Силою, присутньою у всіх речовинами з електронами, є сила дисперсії (іноді її називають лондонською силою дисперсії, після фізика Фріца Лондона, який вперше описав цю силу на початку 1900-х років). Ця взаємодія викликана миттєвим положенням електрона в молекулі, що тимчасово робить цю точку молекули негативно зарядженою, а решту молекули позитивно зарядженою. В одну мить електрон зараз знаходиться десь в іншому місці, але швидкоплинний дисбаланс електричного заряду в молекулі дозволяє молекулам взаємодіяти один з одним. Як і слід було очікувати, чим більша кількість електронів у вигляді, тим сильніша сила дисперсії; це частково пояснює, чому менші молекули - це гази, а більші молекули - це рідини та тверді речовини при однаковій температурі. (Маса також є фактором.)

Молекули з постійним дипольним моментом відчувають дипольно-дипольні взаємодії, які, як правило, сильніші за сили дисперсії, якщо всі інші речі рівні. Протилежно заряджені кінці полярної молекули, що мають на них часткові заряди, притягуються один до одного (рис.\(\PageIndex{1}\)). Таким чином, полярна молекула, така як CH _{2 Cl 2}, має значно вищу температуру кипіння (313 К або 40° C), ніж неполярна молекула, така як CF ₄ (145 K або −128° C), хоча вона має нижчу молярну масу (85 г/моль проти 88 г/моль).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Диполь-дипольні взаємодії. Протилежно заряджені кінці полярних молекул притягуються один до одного.

2 овали з частковими позитивними лівими і правими сторонами притягуються один до одного. Правий від овалу 1 притягується зліва від овалу 2.

Надзвичайно сильна форма дипольно-дипольної взаємодії називається водневим зв'язком. Водневий зв'язок знаходиться в молекулах з атомом H, зв'язаним з атомом N, атомом O або атомом F. Такі ковалентні зв'язки дуже полярні, і дипольно-дипольна взаємодія між цими зв'язками в двох і більше молекулах досить сильне, щоб створити нову категорію міжмолекулярної сили. Водень зв'язування є причиною того, що вода має незвичайні властивості. Для такої невеликої молекули (її молярна маса всього 18 г/моль) Н ₂ О має відносно високі температури плавлення і кипіння. Його температура кипіння становить 373 К (100° C), тоді як температура кипіння аналогічної молекули, H ₂ S, становить 233 К (−60° C). Це пов'язано з тим, що молекули H ₂ O відчувають водневий зв'язок, тоді як молекули H ₂ S - ні. Це сильне тяжіння між молекулами H ₂ O вимагає додаткової енергії для відділення молекул у конденсованій фазі, тому його температура кипіння вища, ніж можна було б очікувати. Водневий зв'язок також відповідає за здатність води як розчинника, її високу теплоємність та здатність розширюватися при заморожуванні; молекули шикуються таким чином, що між молекулами залишається додатковий простір, збільшуючи його обсяг у твердому стані (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Водневий зв'язок. Коли вода твердне, водневий зв'язок між молекулами змушує молекули вибудовуватися таким чином, що створює порожній простір між молекулами, збільшуючи загальний обсяг твердого тіла. Саме тому лід менш щільний, ніж рідка вода.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Визначте найбільш значущу міжмолекулярну силу в кожній речовині.

1. С ₃ Ч ₈
2. СН ₃ ОН
3. Н ₂ С

Рішення

1. Хоча C—H зв'язки полярні, вони лише мінімально полярні. Найбільш значущою міжмолекулярною силою для цієї речовини були б сили дисперсії.
2. Ця молекула має атом Н, пов'язаний з атомом O, тому вона буде відчувати водневий зв'язок.
3. Хоча ця молекула не відчуває водневого зв'язку, електронна діаграма Льюїса та VSEPR вказують на те, що вона зігнута, тому має постійний диполь. Найзначнішою силою в цій речовині є дипольно-дипольна взаємодія.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Визначте найбільш значущу міжмолекулярну силу в кожній речовині.

1. ВЧ
2. HCl

Відповіді

1. водневий зв'язок
2. дипольно-дипольні взаємодії

Бажана фаза, яку приймає речовина, може змінюватися з температурою. При низьких температурах більшість речовин є твердими речовинами (прогнозується, що тільки гелій є рідиною при абсолютному нулі). Зі збільшенням температури ці речовини з дуже слабкими міжмолекулярними силами безпосередньо стають газами (у процесі, який називається сублімацією, про який піде мова в розділі 10.3). Речовини зі слабкими взаємодіями можуть ставати рідинами при підвищенні температури. У міру підвищення температури окремі частинки матимуть стільки енергії, що міжмолекулярні сили долаються, тому частинки відокремлюються один від одного, і речовина стає газом (якщо припустити, що їх хімічні зв'язки не настільки слабкі, що з'єднання розкладається від високого температура). Хоча важко передбачити діапазони температур, для яких тверда, рідина або газ є кращою фазою для будь-якої випадкової речовини, всі речовини прогресують від твердого до рідкого до газу (у такому порядку) з підвищенням температури.

Резюме

• Всі речовини відчувають сили дисперсії між своїми частинками.
• Речовини, які є полярними, відчувають дипольно-дипольні взаємодії.
• Речовини з ковалентними зв'язками між атомом H і атомами N, O або F відчувають водневий зв'язок.
• Переважна фаза речовини залежить від сили міжмолекулярної сили та енергії частинок.