1.12 : Межмолекулярные силы и физические свойства

Межмолекулярные силы – это силы притяжения, существующие между молекулами. Они определяют несколько объемных свойств, таких как температуры плавления, температуры кипения и растворимость (смешиваемость) веществ. Например, жидкость с высокой температурой кипения, такая как вода (H2O, точка кипения 100 °C), проявляет более сильные межмолекулярные силы по сравнению с жидкостью с низкой температурой кипения, такой как гексан (C6H14, точка кипения 68,73 °C). Три вида межмолекулярных взаимодействий включают i) ионно-дипольные силы, ii) диполь-дипольные взаимодействия и iii) силы Ван-дер-Ваальса, которые включают дисперсионные лондоновские силы.

1. Ионно-дипольные силы

Ионно-дипольные силы — это электростатические притяжения между ионом и диполем. Они распространены в растворах и играют важную роль в растворении ионных соединений, таких как KCl, в воде. Сила ион-дипольного взаимодействия прямо пропорциональна i) заряду иона и ii) величине диполя полярных молекул.

2. Диполь-дипольные взаимодействия

Полярные молекулы имеют частичный положительный заряд на одном конце и частичный отрицательный заряд на другом конце молекулы — разделение зарядов, называемое диполем. Сила притяжения между двумя постоянными диполями называется диполь-дипольным притяжением, обозначающим электростатическую силу между частично положительным концом одной полярной молекулы и частично отрицательным концом другой. Водородная связь — это тип диполь-дипольного взаимодействия между молекулами, содержащими водород, связанный с резко электроотрицательным атомом, таким как O, N или F. Образующийся частично положительно заряженный атом H на одной молекуле (донор водородной связи) может испытывать сильные взаимодействия с неподеленной парой электронов частично отрицательно заряженного атома O, N или F на соседних молекулах (акцептор водородной связи). Водородная связь значительно повышает температуру кипения.

3. Силы Ван-дер-Ваальса и лондоновские дисперсионные силы

Самые слабые из всех сил — силы Ван-дер-Ваальса, которые зависят от межмолекулярных расстояний между атомами и молекулами. Лондоновские дисперсионные силы, разновидность сил Ван-дер-Ваальса, возникают в результате взаимодействий между незаряженными атомами или молекулами из-за временных спонтанных сдвигов в распределении электронов. Эти силы, по-видимому, возрастают с ростом молекулярной массы из-за увеличения площади поверхности. В результате соединения с более высокой молекулярной массой обычно кипят при более высоких температурах. Следует отметить, что разветвленный углеводород (неопентан) обычно имеет меньшую площадь поверхности, чем его соответствующий изомер с прямой цепью (н-пентан), и, следовательно, более низкую температуру кипения.

4. Растворимость органических соединений в воде

Жидкости, которые можно смешивать до однородного состояния в любых пропорциях, называются смешиваемыми. Смешивающиеся жидкости имеют схожую полярность. Например, метанол и вода полярны и способны образовывать водородные связи. При смешивании метанол и вода взаимодействуют посредством межмолекулярных водородных связей, сравнимых по прочности с взаимодействиями метанол-метанол и вода-вода; таким образом, они смешиваются. Точно так же неполярные жидкости, такие как гексан и бром, смешиваются друг с другом за счет дисперсионных сил. Химическая аксиома «подобное растворяется в подобном» полезна для прогнозирования смешиваемости соединений. Две жидкости, которые в значительной степени не смешиваются, называются несмешивающимися. Например, неполярный гексан не смешивается с полярной водой. Относительно слабые силы притяжения между гексаном и водой не могут адекватно преодолеть более значительные силы водородной связи между молекулами воды.