Wróć do informacji o e-podręczniku Udostępnij materiał Wydrukuj

Cząsteczek nie łączy żadne wiązanie chemiczne, dlatego mogą się przyciągać lub odpychać. Jednak takie oddziaływanie jest dużo słabsze niż wiązania. Oddziaływania między cząsteczkami związku chemicznego, niepołączone wiązaniami chemicznymi, nazywamy oddziaływaniami międzycząsteczkowymi lub siłami van der Waalsasiły van der Waalsasiłami van der Waalsa. Siła ta opisuje odpychanie lub przyciąganie między cząsteczkami i jest częściowo odpowiedzialna za stan skupienia związków chemicznych.

Rw69WztlMPdYx
Johannes Diderik van der Waals (ur. 23.11.1837 r. - 8.03.1923 r.) – holenderski fizykochemik, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1910 r. za pracę nad równaniem stanu gazów i cieczy rzeczywistych. Jako pierwszy opisał wspomniane siły międzycząsteczkowe.
Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: wikipedia.org.
bg‑azure

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Wyróżniamy następujące typy oddziaływań międzycząsteczkowych:

Oddziaływania te wpływają na:

  • temperaturę topnienia;

  • temperaturę wrzenia;

  • gęstość;

  • lotność.lotnośćlotność.

bg‑azure

Jak określić, czy dana cząsteczka jest polarna?

Oddziaływanie dipol‑dipol występuje w cząsteczkach polarnychcząsteczka polarna, cząsteczka biegunowa, cząsteczka dipolowa, dipolcząsteczkach polarnych, czyli takich, które mają cząstkowy ładunek (ujemny i dodatni), skoncentrowany w danym obszarze związku chemicznego. Cząsteczka polarna jest więc cząsteczką o stałym elektrycznym momencie dipolowymdipolowy moment elektrycznyelektrycznym momencie dipolowym. Powstaje on w wyniku przyciągania elektronów w kierunku pierwiastka o większej elektroujemności, do pierwiastka o mniejszej elektroujemności. Dodatkowo, cząsteczka musi wykazywać się odpowiednią symetrią – ładunki muszą być skoncentrowane w odpowiedniej części związku. Rozważmy następujące przykłady: tlenek węgla(IV) COIndeks dolny 2 i woda HIndeks dolny 2O.

R67FODLnSAoz6
Tlenek węgla cztery ma budowę liniową, wszystkie atomy znajdują się na jednej linii. Ilustracja przedstawia atom węgla połączony wiązaniem podwójnym z dwoma atomami tlenu. Atom węgla to delta plus, atomy tlenu delta minus. Od atomów tlenu nad wiązaniami biegną strzałki skierowane w stronę atomu węgla. Cząsteczka C O 2, z zaznaczonymi cząstkowymi ładunkami δ+ (czyt. delta plus), oznacza część cząsteczki z ładunkiem dodatnim (miejscem z deficytem elektronów) i δ- (czyt. delta minus) z „nadmiarem” elektronów. Jest ona niepolarna, ponieważ wektor momentu dipolowego wiązania O-C jest skierowany w przeciwną stronę niż wektor wiązania C-O. W przypadku dodawania matematycznego tych wektorów, zerują się., Woda. Na ilustracji znajduje się cząsteczka wody. Atom tlenu łączy się z dwoma atomami wodoru. Atom tlenu to delta minus, a wodoru delta plus. Przez atom tlenu przechodzi strzałka skierowana w górę. Woda ma budowę kątową – atomy wodoru znajdują się w narożach, a atomy tlenu – na wierzchołku trójkąta. Tlen jest pierwiastkiem o większej elektroujemności, przyciąga elektrony z wiązania O-H w swoją stronę. Wypadkowy moment dipolowy, zaznaczony strzałką na rysunku, jest wynikiem dodawania dwóch wektorów (wzdłuż wiązania O-H). Możemy wyznaczyć w tej cząsteczce miejsce, w którym skumulowany jest ładunek ujemny i ładunek dodatni (wystarczy przeciągnąć linie prostą przecinająca wiązania O-H). Wniosek jest prosty: woda jest cząsteczką polarną. Umieszczając wodę w polu elektrycznym, cząsteczki wody będą oddziaływać z tym polem. Z tego względu krople wody spływające po szybie nie spływają prosto na dół, tylko krętymi ścieżkami łącząc się po drodze.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jednostką momentu dipolowego μ w układzie SI jest iloczyn C (kulomba) i m (metra):

μ=δ×l

l – długość wiązania, odległość między ładunkami;

δ – ładunek na końcach dipoli.

Im silniejsze oddziaływanie dipol‑dipol między cząsteczkami, tym większa jest siła potrzebna do rozdzielenia tych cząsteczek. Możemy to zbadać m.in. za pomocą temperatur wrzenia cieczy: w miarę wzrostu temperatury wrzenia rośnie siła oddziaływania.

bg‑azure

Siły Londona

Siły Londona są wynikiem wzajemnego przyciągania się wszystkich cząsteczek. Jest to jedyne oddziaływanie, które występuje między atomami gazów szlachetnych i między cząsteczkami niepolarnymi. Niepolarne cząsteczki mogą wykazywać chwilowy moment dipolowy, wynikający z deformacji chmury elektronowej.

R1hI2rXGYvVP7
Przyciąganie się dwóch molekuł. Chwilowe dipole nieprzerwalnie zmieniają kierunki.
Źródło: GroMar Sp. z o.o. (na podstawie wikipedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
Ważne!

Siła oddziaływań Londona wzrasta z liczbą elektronów w cząsteczce, a więc z masą molową związku.

Zmiany właściwości fizycznych związków pod wpływem sił Londona wykazują węglowodory. Wraz ze wzrostem ilości atomów węgla w cząsteczce węglowodoru, zmienia się ich stan skupienia w warunkach pokojowych. Od węglowodorów, które są gazami, poprzez cieczce, aż po węglowodory o dużej ilości atomów węgla, będące ciałami stałymi. W wyniku zwiększania się ilości atomów węgla, cząsteczki te mają większą możliwość oddziaływania ze sobą. Nie są one trwałymi dipolami, ale wraz z ich wzrastającą masą cząsteczkową zwiększa się siła – co przedstawiono na poniższych zdjęciach.

Ważnym czynnikiem, wpływającym na siłę oddziaływań, jest także kształt cząsteczki: pentan wrze w temperaturze 36,1°C, a 2,2‑dimetylopropan w temperaturze 10°C. Oddziaływania w przypadku drugiego związku są znacznie słabsze. Im bardziej rozgałęzione związki, tym oddziaływanie Londona jest słabsze.

bg‑azure

Wiązania wodorowe

Wiązanie wodorowewiązanie wodoroweWiązanie wodorowe jest najsilniejszym oddziaływaniem z opisanych powyżej. Utworzone jest przez atom wodoru, położony między dwoma małymi silnie elektroujemnymi atomami, zawierającymi wolne pary elektronowe – w szczególności N, O, F. Wiązanie wodorowe oznacza się kropkami, np. wiązanie wodorowe O‑H…N. W tym przypadku grupa -OH jest donorem wodoru, a atom azotu akceptorem. Między cząsteczkami wody występuje silne wiązanie wodorowe, dzięki któremu woda wrze w temperaturze 100°C.

RIgnnHSIZZwhv
Podobny związek do wody: H2S siarkowodór – w warunkach pokojowych jest gazem, co świadczy o dużo mniejszym oddziaływaniu wodorowym między cząsteczkami tego kwasu niż w cząsteczce wody.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Najistotniejsze efekty wywołane wiązaniami wodorowymi ujawniają się w strukturze białek, a dokładnie w uporządkowanym łańcuchu polipeptydowym DNA. Rozerwanie tych wiązań w cząsteczce DNA może prowadzić do mutacji. Strukturę chemiczną DNA przedstawiono na obrazku poniżej.

Rx2gjrYjOMvLE
Na schemacie przedstawiono fragment łańcucha D N A. Cząsteczka D N A zbudowana jest z dwóch łańcuchów polinukleotydowych. Łańcuchy te biegną antyrównolegle w stosunku do siebie (koniec 5 prim jednego łańcucha leży naprzeciw końca 3 prim drugiego łańcucha. Każda podjednostka składa się z pięciowęglowego cukru – deoksyrybozy, do której dołączona jest grupa fosforanowa. Do każdej z podjednostek dołączona jest jedna z czterech zasad azotowych - adenina, tymina, cytozyna lub guanina. Oba łańcuchy połączone są wiązaniami fosfodiestrowymi między sąsiadującymi zasadami azotowymi. Guanina sąsiaduje z cytozyną, a adenina z tyminą.
Struktura chemiczna DNA. Kropkami oznaczono wiązania wodorowe między atomami azotu i wodoru w zasadach purynowych i pirymidynowych.
Źródło: domena publiczna.

Słownik

siły van der Waalsa
siły van der Waalsa

oddziaływanie to polega na słabym oddziaływaniu ze sobą chmury elektronowej indywiduum chemicznego bądź cząsteczki w wyniku ruchów tej chmury elektronowej; jedno z oddziaływań, jakie występuje w cząsteczkach gazów szlachetnych, które utrzymują cząsteczkę tego gazu

lotność
lotność

stosunek ciśnienia cząstkowego pIndeks dolny i danego składnika (i) w parze nad cieczą do stężenia xIndeks dolny i tego składnika w cieczy: β = pIndeks dolny i/xIndeks dolny i

elektroujemność
elektroujemność

miara zdolności atomów w cząsteczkach związków chemicznych do przyciągania elektronów

cząsteczka polarna, cząsteczka biegunowa, cząsteczka dipolowa, dipol
cząsteczka polarna, cząsteczka biegunowa, cząsteczka dipolowa, dipol

cząsteczka utworzona z atomów o różnej elektroujemności, w której nastąpiło rozdzielenie ładunku dodatniego i ujemnego

wiązanie wodorowe
wiązanie wodorowe

rodzaj oddziaływania międzycząsteczkowego lub wewnątrzcząsteczkowego za pośrednictwem atomu wodoru. W wiązaniu wodorowym atom wodoru tworzy mostek łączący dwa elektroujemne atomy X–H...Y. Z jednym z nich (X) połączony jest wiązaniem kowalencyjnym, a z drugim - siłami elektrostatycznymi

dipolowy moment elektryczny
dipolowy moment elektryczny

wielkość wektorowa, określająca rozkład ładunku elektrycznego w cząsteczce

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Warszawa 2018.

Atkins P., de Paula J., Physical Chemistry, Ninth Edition, New York 2010.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.

Encyklopedia PWN