Transcript: Forţele dipol-dipol şi forţele de dispersie London

Mi-am lămurit lecțiile trecute că forțele intermoleculare
sunt forțele care se manifestă între molecule,
iar forțele intramoleculare
sunt forțele care se manifestă în interiorul unei molecule
și sunt mult mai puternice decât cele intermoleculare.
Am discutat și faptul că legăturile de hidrogen
sunt cele mai puternice dintre forțele intermoleculare
și am mai văzut și că aceste legături de hidrogen
explică proprietățile apei,
proprietăți care nouă ne sunt foarte familiare,
însă fac apa să se comporte anormal
față de alți compuși chimici similați.
Mai sunt însă două tipuri de forțe intermoleculare
despre care trebuie să discutăm
și anume forțele Dipol-Dipol
și forțele de dispersie London.
Aceste două tipuri de forțe se mai numesc și forțe Van der Waals
după omul de știință olandez Johannes Didrich Van der Waals
care a avut o contribuție importantă în domeniu.
Haideți să începem cu forțele Dipol-Dipol.
Mai întâi să ne reamintim că un dipol
este o structură dintr-o moleculă,
spre exemplu acidul clorhidric,
cu zone cu densitate parțial negativă
în jurul atomului care atrage mai puternic spre el
electronii dintr-o legătură covalentă
și cu zone cu densitate de sarcină parțial pozitivă
în jurul atomilor care au pus în comun acel electron
care acum e atras de atomul mai electronegativ.
Deci acesta este un dipol.
Forțele Dipol-Dipol se stabilesc între molecule polare
datorită atracției de natură electrostatică
dintre atomii încărcați cu sarcină parțial pozitivă
dintr-o moleculă
și atomii încărcați cu sarcină parțial negativă
dintr-o moleculă vecină.
Deci, ca și legăturile de hidrogen,
sunt forțe de natură electrostatică,
doar că sunt mai slabe.
Să luăm cazul acidului clorhidric.
Știm că atomul de clor atrage spre el electronii
pentru că e mai electronegativ decât hidrogenul.
Deci vor împrezenta astfel atomul de clor
și astfel atomul de hidrogen.
Așadar, în cazul acestui tip de molecule polare,
vom avea forțe dipol-dipol.
Este pur și simplu vorba de o forță
între cei doi dipoli,
forță care va ține împreună moleculele de acid clorhidric.
Dacă am avea câteva molecule de acid clorhidric
și am încercat să le aranjăm
cu sarcine parțiale de același semn alăturate,
mi-ar fi, de fapt, imposibil.
Ele nu pot exista în această formă.
Deci, moleculele de acid clorhidric
se vor orienta în așa fel încât
o sarcină parțial negativă
este atrasă de una parțial pozitivă.
Deci, plus e atras de minus
sau minus e atras de plus.
Alte exemple de molecule care interacționează
prin legături dipol-dipol
sunt hidrogenul sulfurat,
acidul diolhidric
sau acidul bromhidric.
Legătura dipol-dipol este mai slabă
decât legătura de hidrogen.
Moleculele asociate
prin legături dipol-dipol
au puncte de fierbere
și puncte de topire
mai scăzute
decât cele asociate
prin legături de hidrogen.
Dar și legăturile de hidrogen
sunt, de fapt, un tip mai special
de forță dipol-dipol
care apar, după cum am discutat
în lecțiile trecute,
între molecule care au în structura lor
legături între atom de azot și hidrogen,
între oxigen și hidrogen
sau între atom de hidrogen și flori.
Există și forțe intermoleculare
mai slabe decât interacțiile dipol-dipol.
Aceste forțe se numesc
Forțe de Dispersie London
și au fost denumite după Fritz London,
omul de știință care le-a identificat
pentru prima oară.
Existența acestor forțe,
cele mai slabe dintre forțele intermoleculare,
este dovedită de faptul că toate substanțele,
inclusiv cele nepolare,
pot fi aduse în stare lichidă
și apoi în stare solidă.
Să ne reamintim că substantele nepolare
sunt cele formate din molecule
care nu au diferență de electronegativitate
între atomii lor
sau au o diferență de electronegativitate
mai mică decât 0.4.
Forțele de dispersie London
sunt forțe de atracție
care pot fi găsite
între toate tipurile de atom și molecule.
Deci, sunt foarte importante
pentru că se găsesc în orice.
Ceea ce le face, de fapt, să apară
sunt electronii distribuiți neregulat
în învelișurile exterioare ale atomilor.
Într-o molecule nepolară
sau într-un atom neutru,
electronii se rotesc în jurul nucleului
și se poate întâmpla ca, la un moment dat,
mai mulți electroni să se afle
într-o anumită regiune atomului.
Pentru că electronii sunt distribuiți inegal,
ei creează ceea ce se numește
un dipol temporar.
Deci, o moleculă cu sarcină electrică temporară,
una parțial negativă și una parțial pozitivă.
Atomi sau molecule cu dipol temporar
interacționează și formează
asociații moleculare
unite prin forțe de dispersie London.
Dacă numai aceste forțe se exercită
între moleculele unei substanțe,
atunci substanța va avea
puncte de topire
și puncte de fierbere
foarte joase.
Este cazul substanțelor
compuse din molecule nepolare,
precum hidrogenul,
oxigenul,
azotul sau clorul,
sau este cazul atomilor gazelor nobile,
aflate în stare lichidă sau solidă,
heliu, neonul, argonul, kriptonul.
Aceste particule nu se pot asocia
decât prin acest tip de interacții.
Dacă nu ar fi existat aceste forțe,
nu am fi văzut noi niciodată
gaze nobile în fază lichidă.
Dar pentru că aceste forțe există,
știm că răcind gazele nobile,
obținem forma lor lichidă.
Deci ceea ce ține atomii de heliu,
spre exemplu, împreună în faza lichidă
sunt forțele de dispersie London.
Avem aici doi atomi de heliu.
Aceștia au fiecare câte doi protoni în nucleu
și câte doi electroni în învelișul electronic.
Pe măsură ce apropiem cei doi atomi de heliu,
iată ce se va întâmpla cu electronii lor.
Electronii din învelișul unui atom
sunt atrași de protonii din nucleul celuilalt atom.
Este pur și simplu vorba
de legea lui Columb a atracției electrostatice.
De asemenea, există și repulsie
între electronii celor doi atom,
pentru că au alțiași sarcină.
Așadar, ceea ce se creează în acest caz
sunt dipolii temporari.
Ei au capete pozitive și negative
pe care le putem reprezenta mai simplu în acest fel.
Deci, o forță de dispersie London
e pur și simplu conexiunea dintre aceste două capete.
E chiar simplu, e ceva care se întâmplă instant,
e temporar și deci va dispărea.
Dar dacă avem îndeajuns de mulți atomi de heliu
și temperatura este îndeajuns de scăzută,
atunci vom avea heliu lichid.
Deci, ceea ce va crește tăria acestor forțe
este zona de contact.
Cu cât avem mai mulți electroni
apropiați unul de altul,
cu atât mai multe astfel de forțe vom găsi.
Adică, mărimea interacției crește odată cu masa molară.
Asta explică și de ce,
coborând în jos în seria moleculelor de halogeni,
flor, clor, brom și iod,
deci în ordinea în care crește volumul atomic,
trecem prin toate cele trei stări de agregare.
Florul și clorul sunt gaze,
bromul este lichid,
iar iodul este solid.
Asta se întâmplă pentru că,
pe măsură ce volumul atomic crește,
ei au mai mulți electroni care se formeze din boli temporare.
Și cu asta am încheiat discuția despre forțele intermoleculare.
Știm acum că între moleculele polare
cu diferență mare de electronegativitate între atomi,
cum sunt amoniacul, apa și acidul florhidric,
se manifestă legături de hidrogen.
Tot între moleculele polare,
dar cu diferențe mai mici de electronegativitate între atomi,
precum acidul clorhidric, acidul bromhidric,
hidrogenul sulfurat sau acidul iodhidric,
se manifestă legături dipol-dipol,
iar între moleculele nepolare,
precum oxigenul, azotul sau clorul
sau între atomii gazelor rare,
heliu, neon, argon, cripton, xenon,
se manifestă forțele de dispersie London.