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.