הגדרה של כוחות בין-מולקולריים (דיפול-דיפול, יון-דיפול, לונדון ו-P. מֵימָן)

קנדלה רוסיו ברביסאן | נובמבר 2021
מהנדס כימי

בעיקרון, ישנם שלושה כוחות בין-מולקולריים שהם האופייניים ביותר ואלו נתייחס בחלק זה. כעת, מדוע חקר סוגי הכוחות הללו מעניין? ובכן, מכיוון שהוא מאפשר לחזות כמה תכונות כימיות כמו נקודות רתיחה ונקודות התכה.

נניח שיש לנו את התרכובות הבאות MgO, NO₂, HF ו-F₂ ועלינו למיין אותם על ידי הגדלת נקודת הרתיחה. אנחנו יודעים את זה בתור כוח מ מְשִׁיכָה ביניהם, עלינו לספק יותר אֵנֶרְגִיָה לשבור את הקישורים. לכן, עלינו להבין מהם הכוחות המקיימים אינטראקציה.

במקרה של MgO, זוהי תרכובת יונית, ולכן הכוחות שמחזיקים אותה יחד הם אלקטרוסטטיים, החזקים מכולם, ולכן תהיה לו נקודת הרתיחה הגבוהה ביותר. ואז, אם ננתח את NO לעומת HF ו-F, אנו רואים של-NO יש דיפולים מסוג קבוע, א גֵאוֹמֶטרִיָה מומנט דיפול לא סימטרי ולא אפס, כך שכוחות דיפול-דיפול פועלים בו. ואילו הניתוח מקביל ל- מולקולה HF, לעומת זאת, כאן יש קשר דיפול בין אטומי H ו-F, מה שגורם לקשרים של גשר מימן, כוחות חזקים יותר מהדיפול-דיפול. לבסוף, יש לנו F2, מולקולה סימטרית ואפולרית שכוחותיה היחידים הקיימים הם דה לונדון, כוחות חלשים יותר מאשר בשאר המקרים.

בהתבסס על ניתוח זה, ידוע שנקודת הרתיחה הגבוהה ביותר תהיה MgO, ואחריה HF, ואז NO ₂ ולבסוף F₂.

כוחות לונדון

ידועים גם ככוחות פיזור, הם קיימים בכל התרכובות המולקולריות. עם זאת, במולקולות קוטביות הן מאבדות חשיבות עקב קיומם של דיפולים שיגרמו לקיומם של כוחות אחרים רלוונטיים יותר. לכן, במולקולות א-קוטביות הם הכוחות היחידים הקיימים.

ככל שהמסה הטוחנית גדולה יותר, כך כוחות לונדון גדולים יותר. בתורם, מולקולות לא קוטביות יוצרות דיפולים חולפים או זמניים, כלומר, הענן האלקטרוני מעוות על ידי הרצף תְנוּעָה של האלקטרונים שלו. ככל שהענן האלקטרוני גדול יותר וככל שהוא ניתן לקיטוב, כך גדלים כוחות לונדון המקיימים אינטראקציה.

דוגמה אופיינית הן תרכובות דו-אטומיות כגון Cl₂ כאשר יש סימטריה במבנה שנוספה לכך שלשני האטומים היוצרים אותו יש את אותה אלקטרושליליות, לכן, הקשר הוא אפולרי והמולקולה גם היא אפולרית. במקרה של CO₂, הכוחות השולטים הם גם כוחות פיזור; עם זאת, אנו רואים קשרים קוטביים שבהתחשב במבנה הסימטרי של המולקולה, מבטלים את הדיפולים שלהם, ויוצרים מולקולה אפולרית.

כוחות דיפול-דיפול

כאשר המולקולות אינן מראות סימטריה ונוצרים דיפולים קבועים, אומרים שהמולקולה קוטבית או שמומנט הדיפול שלה אינו אפס. זה מרמז על נוכחות של כוחות דיפול-דיפול היוצרים משיכה בין הקצוות הטעונים של המולקולות, הקצה עם צפיפות אלקטרונים חיובית של מולקולה אחת והסוף עם צפיפות אלקטרונים שלילית של מולקולה אחרת מולקולה. כמובן, כאשר עובדים עם צפיפות אלקטרונים כוחות אלו חזקים יותר מהכוחות של לונדון, אשר, כפי שאמרנו, קיימים בכל המולקולות.

דוגמאות אופייניות הן מולקולות H₂S ו-HBr שבהם, בשל הגיאומטריה שלהם, אזורים עם צפיפות מטען שלילית מקיימים אינטראקציה חזקה עם צפיפויות חיוביות של מולקולה אחרת.

כוחות גישור מימן

סוג זה של כוח מתייחס למקרה ספציפי של כוחות דיפול-דיפול שהם הקשרים בין מימן עם פלואור, חנקן או חמצן. הם תוצר כוחות של דיפולים בין האטומים שהוזכרו שנקשרים בחוזקה ולכן הם מציין בשם מסוים, מכיוון שהם בעוצמה גדולה יותר מכל כוח אחר דיפול-דיפול. זה המקרה של מולקולות מים (H₂O) או אמוניה (NH₃).

יון - כוחות דיפול

זהו הסוג האחרון של כוח בין-מולקולרי שנראה והוא מתרחש במקרים בהם יון משתתף בתרכובת. זֶה אינטראקציה אז יתרחש בין היון והדיפולים של מולקולה קוטבית, למשל, ב- התפרקות מ אתה יוצא במים, כ-MgCl₂ במים. הדיפולים הקבועים של המולקולות הקוטביות של האינטראקציה של המים עם המינים היוניים מומסים Mg⁺² ו-Cl^-.

יש לציין שסוגים אלה של כוחות נראים חלשים יותר מקשרים קוולנטיים וקשרים יוניים, הקיימים במוצקים קוולנטיים ובתרכובות יוניות בהתאמה.