1.12 : כוחות בין-מולקולריים ותכונות פיזיקליות

כוחות בין מולקולריים הם כוחות משיכה הקיימים בין מולקולות. הם מכתיבים מספר מאפיינים בתפזורת, כגון נקודות התכה, נקודות רתיחה ומסיסות (התערבבות) של חומרים. לדוגמה, נוזל בעל נקודת רתיחה גבוהה, כמו מים (H ₂ O, b.p. 100 מעלות צלזיוס), מפגין כוחות בין-מולקולריים חזקים יותר בהשוואה לנוזל בעל נקודת רתיחה נמוכה, כמו הקסאן (C ₆ H ₁₄ , b.p. 68.73 מעלות צלזיוס). שלושת סוגי האינטראקציות הבין-מולקולריות כוללות i) כוחות יון-דיפול, ii) אינטראקציות דיפול-דיפול, ו-iii) כוחות ואן דר ואלס, הכוללים כוחות פיזור לונדון.

1. כוחות יון-דיפול

כוחות יון-דיפול הם המשיכה האלקטרוסטטית בין יון לדיפול. הם נפוצים בתמיסות וממלאים תפקיד חשוב בהמסה של תרכובות יוניות, כמו KCl, במים. החוזק של אינטראקציות יון-דיפול עומד ביחס ישר ל-i) המטען על היון ו-ii) לגודל הדיפול של מולקולות קוטביות.

1. אינטראקציות דיפול-דיפול

למולקולות קוטביות יש מטען חיובי חלקי בקצה האחד ומטען שלילי חלקי בקצה השני של המולקולה - הפרדה של מטען הנקראת דיפול. כוח המשיכה בין שני דיפולים קבועים נקרא משיכה דיפול-דיפול - הכוח האלקטרוסטטי בין הקצה החיובי בחלקו של מולקולה קוטבית אחת לקצה השלילי בחלקה של אחרת. קשר מימן הוא סוג של אינטראקציה דיפול-דיפול בין מולקולות עם מימן, הקשורות לאטום אלקטרוני שלילי מאוד, כגון O, N או F. אטום H בעל מטען חיובי חלקי שנוצר על מולקולה אחת (תורם קשרי המימן) יכול לקיים אינטראקציה חזקה עם זוג בודד של אלקטרונים של אטום O, N או F בעל מטען שלילי חלקית על מולקולות סמוכות (מקבל קשרי מימן). התקשרות מימן מעלה את נקודת הרתיחה במידה ניכרת.

1. ואן דר ואלס וכוחות פיזור לונדון

החלש מכל הכוחות הוא כוחות ואן דר ואלס, התלויים במרחקים הבין-מולקולריים בין אטומים למולקולות. כוחות פיזור לונדון, תת-קבוצה של כוחות ואן דר ואלס, נחווים כתוצאה מאינטראקציות בין אטומים/מולקולות לא טעונים עקב שינויים זמניים וספונטניים בחלוקת האלקטרונים. נראה שעוצמתם של כוחות אלה עולה עם הגדלת המשקל המולקולרי בגלל הגידול בשטח הפנים. כתוצאה מכך, תרכובות בעלות משקל מולקולרי גבוה יותר ירתחו בדרך כלל בטמפרטורות גבוהות יותר. ראוי לציין שלפחמימן מסועף (ניאופנטן) יש בדרך כלל שטח פנים קטן יותר מהאיזומר בעל השרשרת הישרה (n-פנטן), ולכן נקודת רתיחה נמוכה יותר.

1. מסיסות של תרכובות אורגניות במים

נאמר על נוזלים שניתן לערבב בצורה הומוגנית בכל מידה שהם ניתנים לערבוב. לנוזלים המתערבבים יש קוטביות דומה. לדוגמה, מתנול ומים הם קוטביים ומסוגלים לקשור מימן. בעת ערבוב, מתנול ומים מקיימים אינטראקציות באמצעות קשרי מימן בין-מולקולריים בעלי חוזק דומה לאינטראקציות מתנול-מתנול, ומים-מים; לפיכך, הם ניתנים לערבוב. כמו כן, נוזלים לא קוטביים כמו הקסאן וברום מתמזגים זה עם זה באמצעות כוחות פיזור. האקסיומה הכימית “דומה נמס בדומה לו” שימושית לניבוי התערבבות של תרכובות. שני נוזלים שאינם מתערבבים במידה ניכרת נקראים בלתי ניתנים לערבוב. לדוגמה, הקסאן לא קוטבי אינו ניתן לערבוב במים קוטביים. כוחות משיכה חלשים יחסית בין ההקסאן למים אינם מתגברים בצורה מספקת על כוחות קשרי המימן החזקים יותר בין מולקולות מים.

הטקסט הזה מותאם מ  Openstax, Chemistry 2e, Section 10.1: Intermolecular Forces, Section 11.3: Solubility, and Chapter 10: Liquids and Solids.