Atomy i cząsteczki oddziałują poprzez wiązania (lub siły): wewnątrzcząsteczkowe i międzycząsteczkowe. Siły są elektrostatyczne, ponieważ powstają w wyniku oddziaływań (przyciągających lub odpychających) między naładowanymi cząstkami (ładunkami stałymi, częściowymi lub tymczasowymi) i występują z różną siłą między jonami, cząsteczkami polarnymi, niepolarnymi i obojętnymi. Różne rodzaje sił międzycząsteczkowych to jon-dipol, dipol-dipol, wiązania wodorowe i dyspersja; wśród nich dipol-dipol, wiązania wodorowe i siły dyspersyjne istnieją między neutralnymi atomami i cząsteczkami i są zbiorczo znane jako siły van der Waalsa.

Siły dipol-dipol

Cząsteczki polarne mają częściowy ładunek dodatni na jednym końcu i częściowy ładunek ujemny na drugim końcu cząsteczki - separacja ładunku zwana dipolem. W polarnej cząsteczce, takiej jak HCl, bardziej elektroujemny atom Cl ma częściowy ładunek ujemny, podczas gdy mniej elektroujemny atom H ma częściowy ładunek dodatni. Siła przyciągania między cząsteczkami HCl wynika z przyciągania między dodatnim końcem jednej cząsteczki HCl a ujemnym końcem innej. Ta siła przyciągania nazywana jest przyciąganiem dipol-dipol - siła elektrostatyczna między częściowo dodatnim końcem jednej cząsteczki polarnej a częściowo ujemnym końcem innej.

Siły dyspersyjne

Jedna z trzech sił van der Waalsa występuje we wszystkich fazach skondensowanych, niezależnie od charakteru atomów czy cząsteczek tworzących substancję. Ta siła przyciągania została nazwana londyńską siłą dyspersyjną na cześć urodzonego w Niemczech amerykańskiego fizyka Fritza Londona, który jako pierwszy wyjaśnił ją w 1928 roku. Siła ta jest często określana po prostu jako siła dyspersyjna. Ponieważ elektrony atomu lub cząsteczki są w ciągłym ruchu (lub, alternatywnie, ich położenie podlega zmienności kwantowo-mechanicznej), w dowolnym momencie atom lub cząsteczka może rozwinąć tymczasowy, natychmiastowy dipol, jeśli jego elektrony są rozmieszczone asymetrycznie. Obecność tego dipola może z kolei zniekształcać elektrony sąsiedniego atomu lub cząsteczki, wytwarzając indukowany dipol. Te dwa szybko zmieniające się, tymczasowe dipole powodują zatem stosunkowo słabe przyciąganie elektrostatyczne między gatunkami – tak zwaną siłę dyspersyjną.

Siły dyspersyjne, które powstają między atomami w różnych cząsteczkach, mogą przyciągać do siebie dwie cząsteczki. Siły te są jednak stosunkowo słabe i stają się znaczące tylko wtedy, gdy cząsteczki są bardzo blisko. Większe i cięższe atomy i cząsteczki wykazują silniejsze siły dyspersji niż mniejsze i lżejsze atomy i cząsteczki. F₂ i Cl₂ są gazami w temperaturze pokojowej (odzwierciedlającymi słabsze siły przyciągania); Br₂ jest cieczą, a I₂ jest ciałem stałym (odzwierciedlającym silniejsze siły przyciągania).

Wiązanie wodorowe

Fluorek nitrozylu (ONF, masa cząsteczkowa 49 amu) jest gazem w temperaturze pokojowej, podczas gdy woda (_H2O, masa cząsteczkowa 18 amu) jest cieczą, mimo że ma mniejszą masę cząsteczkową. Obie cząsteczki mają mniej więcej ten sam kształt, a ONF jest cięższą i większą cząsteczką. W związku z tym oczekuje się, że doświadczy on bardziej znaczących sił dyspersyjnych. Dodatkowo ta różnica w temperaturach wrzenia nie może być wynikiem różnic w momentach dipolowych cząsteczek. Obie cząsteczki są polarne i wykazują porównywalne momenty dipolowe. Duża różnica między temperaturami wrzenia wynika ze szczególnie silnego przyciągania dipol-dipol, które może wystąpić, gdy cząsteczka zawiera atom wodoru związany z atomem fluoru, tlenu lub azotu (trzy najbardziej elektroujemne pierwiastki). Bardzo duża różnica elektroujemności między atomem H (2,1) a atomem, z którym jest on związany (4,0 dla atomu F, 3,5 dla atomu O lub 3,0 dla atomu N), w połączeniu z bardzo małym rozmiarem atomu H i stosunkowo małymi rozmiarami atomów F, O lub N, prowadzi do wysoce skoncentrowanych ładunków cząstkowych z tymi atomami. Cząsteczki z ugrupowaniami F-H, O-H lub N-H są bardzo silnie przyciągane do podobnych ugrupowań w pobliskich cząsteczkach, co jest szczególnie silnym rodzajem przyciągania dipol-dipol zwanym wiązaniami wodorowymi. Przykładami wiązań wodorowych są HF⋯HF,_H2O⋯HOH i_H3N⋯HNH₂, w których wiązania wodorowe są oznaczone kropkami.

Siły jonowo-dipolowe

Siła jon-dipol to przyciąganie elektrostatyczne między jonem a dipolem. Siły te są powszechne w roztworach i odgrywają ważną rolę w rozpuszczaniu związków jonowych w wodzie.

Kiedy związek jonowy, taki jak KCl, jest dodawany do polarnego rozpuszczalnika, takiego jak woda, jony w ciele stałym oddzielają się i rozpraszają równomiernie. Siły jonowo-dipolowe przyciągają dodatni (wodorowy) koniec polarnych cząsteczek wody do ujemnych jonów chlorkowych na powierzchni ciała stałego i przyciągają ujemne (tlenowe) końce do dodatnich jonów potasu. Cząsteczki wody otaczają pojedyncze jony K⁺ i Cl⁻, redukując silne siły międzyjonowe, które wiążą jony ze sobą (w ciele stałym) i pozwalając im przemieszczać się do roztworu w postaci solwatowanych jonów. Pokonanie przyciągania elektrostatycznego pozwala na niezależny ruch każdego uwodnionego jonu w rozcieńczonym roztworze, gdy jony przechodzą z ustalonych pozycji w nierozpuszczonym związku do szeroko rozproszonych, solwatowanych jonów w roztworze.

Siła oddziaływań jon-dipol jest wprost proporcjonalna do i) ładunku jonu oraz ii) wielkości dipola cząsteczek polarnych.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Chemia 2e, Rozdział 10: Ciecze i ciała stałe.