Wiązania międzycząsteczkowe

Jeśli potrafisz rozróżnić wiązania wewnątrzcząsteczkowe od oddziaływań międzycząsteczkowych, to szacun! To już taki bym powiedział średni poziom wtajemniczenia.

1. Atomy trzymają się za ręce tworząc cząsteczki

Każdy zna wiązania jonowe, kowalencyjne a i to jeszcze nawet czasem wiadomo, że dzieli się na spolaryzowane i niespolaryzowane. Niektórzy władają jeszcze wiązaniem koordynacyjnym, o którego sensie pisałem tutaj (Wiązanie koordynacyjne – czy w ogóle jest potrzebne ?).

Wszystkie te wiązania sprawiają, że atomy trzymają się ze sobą tworząc cząsteczkę. Na przykład dwa atomy chloru tworzą cząsteczkę chloru (Cl2) poprzez wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane.

Ale co sprawia np. że woda jest cieczą ? Bo jak pamiętamy w cieczy cząsteczki znajdują się blisko siebie, w ciele stałym znajdują się jeszcze bliżej). I nie są to już wiązania kowalencyjne czy jonowe, bo te tylko sprawiają, że istnieje cząsteczka wody, czyli że dwa atomy wodoru łączą się z jednym atomem tlenu dając H2O.

Czyli musi być jeszcze siła, która odpowiada za to, że cząsteczki znajdują się blisko siebie. Czasem te siły będą słabiutkie – przecież istnieją gazy, gdzie faktycznie cząsteczki latają sobie luzem. I to właśnie będą wiązania (oddziaływania) międzycząsteczkowe.

2. Wiązania międzycząsteczkowe = cząsteczki też trzymają się za ręce

Być może pierwsze co przychodzi Ci do głowy, to wiązania wodorowe. Bardzo dobrze, to jeden, myślę że modelowy przykład wiązania między cząsteczkami, które odpowiada za to, że woda jest cieczą.

W każdym razie, wiązania międzycząsteczkowe będą odpowiedzialne między innymi za stan skupienia. Nawet najsilniejsze wiązania tego typu są słabsze niż klasyczne wiązania wewnątrz cząsteczki (jonowe/kowalencyjne). To bardzo logiczne, o wiele łatwiej wyobrazić sobie parowanie wody (rozwalenie wiązań międzycząsteczkowych) niż rozpad cząsteczki wody na atomy (rozwalenie wiązań wewnątrzcząsteczkowych).

Moglibyśmy powiedzieć, że wiązania międzycząsteczkowe stawiają na ilość, a nie na jakość, w przeciwieństwie do wewnątrzcząsteczkowych.

Zobaczmy jakie rodzaje oddziaływań pomiędzy cząsteczkami w ogóle istnieją[1] :

➤ wiązania wodorowe

➤ siły van der Waalsa

Wiązania wodorowe pełnią kluczową rolę na maturze i dlatego omówimy je w osobnym poście.

3. Siły van der Waalsa

Ale spokojnie, nie ma tak łatwo. Siły van der Waalsa to taki dżoker, bo jest to ogólne określenie na wiązania międzycząsteczkowe.

OddziaływanieOddziaływania
dyspersyjne

Oddziaływanie
dipol-dipol
Wiązania
wodorowe
OpisWystępują we wszystkich cząsteczkach. Polega na występowaniu chwilowych
dipoli.
Znajdziemy je w cząsteczkach polarnych, gdzie występują dipole.Będzie wówczas, gdy wodór jest połączony z
mocno elektroujemnym pierwiastkiem (N, O , F)
Krótkie podsumowanie oddziaływań międzycząsteczkowych.

4. Będziemy patrzeć na temperaturę wrzenia

Ustaliliśmy już, że siły międzycząsteczkowe będą odpowiadać za stan skupienia. Dlatego też porównując te siły ze sobą, będzie wygodnie posługiwać się temperaturą wrzenia[3], bo ona określa przecież jak łatwo takie siły rozerwać. Często na zajęciach pytam : ,, co to jest wrzenie według Ciebie” ?

Właściwie jedyna odpowiedź jaka zawsze wtedy pada to : przejście z cieczy w gaz”. Ok, to jest prawda, ale na czym to właściwie polega ? I tu już następuje problem. A przecież to takie łatwe! Skoro przechodzimy z cieczy w gaz, to muszę przejść z cząsteczek, które znajdują się blisko siebie (ciecz) do stanu, gdzie te cząsteczki zostaną do siebie rozdzielone (gaz). Muszę zatem dostarczyć energię, aby przerwać wiązania, które są odpowiedzialne za to, że substancja jest w stanie ciekłym, czyli właśnie wiązania międzycząsteczkowe!

Im wyższa temperatura wrzenia tym silniejsze oddziaływania międzycząsteczkowe.

Co to jest wrzenie? To nic innego jak przełamywanie oddziaływań międzycząsteczkowych, które utrzymują ciecz w kupie.

5. Siły dyspersyjne (Londona)

Atom helu ma w swoim jądrze dwa protony, dwa neutrony, a na jego chmurę elektronową składają się dwa elektrony. Teraz wyobraź sobie, że robimy serię zdjęć atomowi helu. Co zobaczymy ?

Powstawanie chwilowych dipoli.

W takim razie możliwe jest, aby dwa takie atomy ze sobą oddziaływały. Klasycznie, łączymy plus z minusem, czyli nie jest to dla nas nic nowego!

Siły dyspersyjne Londona. Jeśli już mamy stworzony chwilowy dipol, to on napędza tworzenie następnych dipoli, a dalej już ,,domino”, czyli łączenie plusów i minusów. Prosta sprawa.

Popatrzmy na kilka charakterystycznych właściwości sił dyspersyjnych (ważne, bo to są maturalne pytania! ) :

➦ Duży atom (im większy atom) ⇒ duża chmura elektronowa ⇒ większe siły dyspersyjne, bo elektrony są mniej (słabiej) przyciągane przez jądro, dlatego mogą bardziej poszaleć[2], przez co łatwiej o chwilowy dipol.

➦ Generalnie im większa masa molowa, tym większe siły dyspersyjne, bo większa masa ⇒ więcej atomów ⇒ więcej elektronów rozłożonych na większej objętości. To widać jeśli porównamy temperatury wrzenia gazów szlachetnych :

Zobaczmy, że w takim razie da się skroplić nawet gazy szlachetne! Czyli faktycznie musi istnieć jakaś siła, która łączy nawet pojedyncze atomy ze sobą, aby były blisko siebie (= ciecz). Te siły to oddziaływania dyspersyjne Londona.

Nie zawsze jednak masa molowa się sprawdzi! Zobaczmy poniżej na dwie cząsteczki o takim samym wzorze sumarycznym, ale innym połączeniu atomów (takie związki nazywamy izomerami).

Dwa związki o dokładnie takiej samej masie molowej, ale innych temperaturach wrzenia.

Zbudujemy modele, aby zobaczyć te cząsteczki w ich trójwymiarowej postaci.

A teraz przedstawimy to nieco bardziej schematycznie, tłumacząc jednocześnie różnicę w temperaturach wrzenia.

Im większa powierzchnia, na jakiej mogą oddziaływać na siebie dwie cząsteczki, tym więcej wiązań międzycząsteczkowych może się wytworzyć, co wpływa między innymi na temperaturę wrzenia.

Zwróć uwagę, że dzięki oddziaływaniom Londona jestśmy w stanie wyjaśnić zmieniający się stan skupienia (w pokojowej temperaturze) dla chloru, bromu i jodu!

Znalezione obrazy dla zapytania: chlorine gas
Chlor jest gazem.
Znalezione obrazy dla zapytania: bromine liquid
Brom jest cieczą.
Znalezione obrazy dla zapytania: iodine solid
A jod jest już ciałem stałym!

6. Oddziaływania dipol – dipol

Oddziaływania dipol-dipol są znacznie bardziej intuicyjne niż omawiane przed chwilą siły dyspersyjne, ponieważ tutaj JUŻ mamy dipol, czyli są ładunki częściowo dodatnie (𝛿+) i ujemny (𝛿). Musimy je po prostu umieć zlokalizować ⇒ będziemy szukać cząsteczek polarnych i klasycznie już, połączyć plus z minusem.

Flagowym przykładem jest cząsteczka acetonu. Porównując ją z cząsteczką o tej samej masie molowej, butanem, od razu widzimy, że w acetonie będą występować jakieś silniejsze oddziaływania międzycząsteczkowe.

Znacznie większa temperatura wrzenia dla acetonu przy takiej samej masie molowej obu cząsteczek wskazuje na to, że w pomiędzy cząsteczkami acetonu muszą być silniejsze oddziaływania międzycząsteczkowe.

Zobaczmy, co jest tego przyczyną :

Przyczyną zwiększonej temperatury wrzenia dla acetonu w porównaniu do butanu jest występowanie oddziaływań dipol-dipol, których nie ma w cząsteczce butanu.

[1] Podejdziemy do tematu w sposób znacznie uproszczony. W rzeczywistości podział tych oddziaływań jest o wiele bardziej złożony, ale także bardzo ciekawy. Co jednak najważniejsze, dokładniejsze zagłębienie się w temat pozwala na zrozumienie naprawdę wielu aspektów chemii. Oto kilka rzeczy, na które da się znaleźć odpowiedź, dzięki analizie oddziaływań między cząsteczkami :

➤ czemu sole potasu w stanie stałym z reguły nie są uwodnione, a sole baru już tak (występują często jako hydraty) ?

➤ dlaczego chlor jest gazem, brom cieczą, a jod ciałem stałym ?

➤ dlaczego CO2 jest gazem, a SiO2 jest ciałem stałym ?

Dlaczego omawiamy tylko wiązania wodorowe i siły van der Waalsa ?

[2] W rzeczywistości chodzi o większą polaryzowalność, ale ten temat już jest wystarczająco trudny, więc nie będziemy go teraz na siłę jeszcze bardziej pogarszać (nie musimy, bo polaryzowalność to na pewno nie jest coś, co jest wymagane na maturze).

[3] W maturalnym uproszczeniu tak samo będzie oczywiście z temperaturą topnienia.

Leave a Reply

%d bloggers like this: