نیروهای بین مولکولی چیست؟

نیروهای بین مولکولی برهمکنش های الکترواستاتیکی بین گونه های شیمیایی باردار دائمی یا گذرا (موقت) هستند. آنها شامل نیروهای وان دروالس (برهمکنش ها)، نیروهای یون-دوقطبی و دوقطبی-دوقطبی هستند.

این اصطلاح معمولاً برای اشاره به برهمکنش های جذابی که مولکول ها و یون ها را در فازهای متراکم (مایع و جامد) در کنار هم نگه می دارند، استفاده می شود. این نیروها بر بسیاری از خواص فیزیکی عمده مواد و مخلوط ها مانند نقطه ذوب، نقطه جوش و کشش سطحی حاکم هستند.

موضوعات مرتبط

اصول پیوند یونی

نیروهای یون یون، که به عنوان پیوند یونی نیز شناخته می شوند، ساده ترین برای درک هستند. این نیروها از جاذبه الکترواستاتیکی بین دو یون با بارهای مخالف به وجود می آیند. آن ها هستند از نظر فنی نیروهای بین مولکولی در نظر گرفته نمی شوند، اما نقطه شروع مفیدی برای درک IMFهای واقعی (نیروهای بین مولکولی) هستند. پیوندهای یونی نیز به طور کلی قوی تر از نیروهایی هستند که در زیر مورد بحث قرار گرفته است، به همین دلیل است که اکثر نمک های خالص جامد هستند به جز در دماهای بسیار بالا.

نمونه کامل آن نمک طعام NaCl است که نقطه ذوب 800 درجه سانتیگراد دارد.

انواع نیروهای بین مولکولی

نیروهای ون دروالس

نیروهای ون دروالسی، با نام مستعار فعل و انفعالات وان دروالسی، ضعیف ترین نیروی بین مولکولی هستند و از نیروهای دوقطبی-دوقطبی ضعیف و نیروهای پراکندگی لندن قوی تر تشکیل شده اند. آنها نام هایی از شیمیدان هلندی یوهانس وان دروالس (1837-1923) هستند. معادله ون دروالس، برای گازهای غیر ایده آل، این نیروهای بین مولکولی را در نظر می گیرد. این نیروها تعیین می کنند که آیا یک ماده در دمای معین جامد، مایع یا گاز است.

دو نوع نیروی واندروالس وجود دارد که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت – نیروهای پراکندگی لندن و نیروهای دوقطبی-دوقطبی (برهمکنش).

نیروهای یون دوقطبی

نیروهای یون-دوقطبی از برهمکنش یک گونه باردار با یک مولکول قطبی ناشی می شود. آنها بسیار شبیه پیوندهای یونی هستند، اما تمایل دارند ضعیف تر باشند زیرا فقط مولکول های قطبی دارند جزئي بار الکتریکی، که جاذبه الکترواستاتیک کمتری ایجاد می کند. به دلیل این نیروها، حلال های قطبی در مقایسه با حلال های غیرقطبی بهتر می توانند جامدات یونی مانند NaCl را حل کنند.

برهمکنش های دوقطبی ناشی از یون

نیروهای دوقطبی ناشی از یون با نیروهای دوقطبی یونی مرتبط هستند. در این حالت هیچ دوقطبی دائمی روی مولکول وجود ندارد. در عوض، یون یک دوقطبی گذرا از یک مولکول غیرقطبی با جذب یا دفع الکترون‌های آن ایجاد می‌کند. سپس یک جاذبه بین یون و بار جزئی گذرا شکل می گیرد.

نیروهای دوقطبی-دوقطبی

نیروی دوقطبی-دوقطبی نوعی از نیروی ون دروالس. وقتی دو مولکول قطبی برهم کنش می کنند، بارهای جزئی مخالف جذب می شوند، مشابه پیوند یونی، اما به طور کلی ضعیف تر، به دلیل قدر بار کوچکتر. به دلیل این نیروهای دوقطبی-دوقطبی، ترکیبات قطبی تمایل دارند نقاط ذوب و جوش بالاتری نسبت به ترکیبات غیرقطبی داشته باشند.

پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی نوع خاصی از برهمکنش دوقطبی-دوقطبی است. این تنها زمانی رخ می‌دهد که مولکول‌های مورد نظر دارای یک اتم بسیار الکترونگاتیو باشند که مستقیماً به یک اتم هیدروژن پیوند خورده باشد که منجر به یک دوقطبی شدید غیرعادی شود. برای بیشتر اهداف، این اتم های بسیار الکترونگاتیو فقط به نیتروژن، اکسیژن و فلوئور محدود می شوند.

پیوند هیدروژنی شامل یک مولکول “دهنده” و یک مولکول “پذیرنده” است. دهنده اتم هیدروژن را برای پیوند فراهم می کند، در حالی که گیرنده اتم الکترونگاتیو را فراهم می کند. در تصویر زیر، دو مولکول آب بالا هر دو به عنوان اهداکننده عمل می کنند، در حالی که مولکول پایین به عنوان گیرنده عمل می کند. برخی از مولکول ها فقط می توانند به عنوان پذیرنده عمل کنند.

پیوند هیدروژنی نیز جهت دار است – یک پیوند تنها زمانی می تواند به عنوان پیوند هیدروژنی واجد شرایط باشد که سه اتم شرکت کننده تقریباً در یک خط مستقیم (زاویه 180 درجه) باشند. این آن را از پیوند دوقطبی-دوقطبی معمولی که هیچ جهتی ندارد، بیشتر متمایز می کند.

نیروهای پراکندگی لندن (LDF)

نیروهای پراکندگی لندن، که اغلب به اختصار LDF نامیده می شود، نیروهای جذابی هستند دو دوقطبی گذرا. آنها نیز نوعی از نیروی ون دروالس. این ممکن است غیر شهودی به نظر برسد، اما وقتی دو مولکول غیرقطبی در نزدیکی یکدیگر قرار دارند، نوسانات ابرهای الکترونی آنها می‌تواند باعث شود که هر دو تا حدی قطبیت پیدا کنند. ما به جاذبه حاصل بین بارهای گذرا به عنوان نیروهای پراکندگی لندن اشاره می کنیم.

بر اساس فردی، LDF به طور کلی ضعیف ترین نیروهای بین مولکولی است. با این حال، اثر تجمعی بسیاری از فعل و انفعالات LDF می تواند منجر به جذب کلی بسیار بالا شود. تعداد برهمکنش‌ها ارتباط نزدیکی با سطح تماس مولکول‌ها دارد، بنابراین یک مولکول غیرقطبی بزرگ ممکن است مقدار زیادی جاذبه را از LDF تجربه کند، در حالی که یک مولکول کوچک و فشرده ممکن است بسیار کمی را تجربه کند. هنگام مقایسه دو مولکول با شکل مشابه (مثلاً دو گاز نجیب)، مولکولی با جرم مولی بالاتر LDF قوی‌تری خواهد داشت.

توجه به این نکته مهم است که اگرچه نیروهای پراکندگی لندن تنها IMF موجود در مولکول های غیرقطبی هستند، اما در همه انواع دیگر مواد. مولکول‌های قطبی نیز در LDF شرکت می‌کنند، اما گاهی اوقات به این موضوع اشاره نمی‌شود، زیرا اهمیت کمتری نسبت به سایر IMF در آن موارد دارند.

نیروهای بین مولکولی: قوی ترین تا ضعیف ترین

1. Ionic (از نظر فنی صندوق بین المللی پول نیست)
2. یون-دوقطبی
3. هیدروژن
4. دوقطبی-دوقطبی
5. نیروی پراکنده لندن (نیروی واندروالس)

مثال ها: رتبه بندی قدرت صندوق بین المللی پول

1. ترکیب های زیر را از قوی ترین به ضعیف ترین صندوق بین المللی پول رتبه بندی کنید:

• اتانول و آمونیاک
• آب و کلرید پتاسیم
• اکتان و متان
• کلروفرم و استون

2. مواد خالص زیر را از بالاترین تا پایین ترین نقطه جوش رتبه بندی کنید:

• پروپان
• اب
• دی کلرومتان

نیروهای بین مولکولی: راه حل ها:

1. به دنبال قوی ترین برهمکنش ها بین هر جفت ترکیب باشید.

1. آب و کلرید پتاسیم
   این دو یک مولکول قطبی و یک ترکیب یونی هستند، بنابراین نیروهای یون-دوقطبی بین آنها وجود دارد. اینها به طور کلی قوی ترین نیروهای بین مولکولی هستند.
2. اتانول و آمونیاک
   اینها هر دو مولکول قطبی هستند، بنابراین دارای نیروهای دوقطبی-دوقطبی هستند، اما مهمتر از آن، هر دو قادر به پیوند هیدروژنی هستند، که قوی تر از برهمکنش های معمولی دوقطبی-دوقطبی است.
3. کلروفرم و استون
   این هر دو مولکول قطبی هستند که نمی توانند در پیوند هیدروژنی شرکت کنند. آنها برهمکنش دوقطبی-دوقطبی دارند.
4. اکتان و متان هر دو مولکول های غیرقطبی هستند، بنابراین آنها فقط دارای نیروهای پراکندگی لندن هستند. اینها ضعیف ترین صندوق های بین المللی پول هستند.
   توجه داشته باشید: به یاد داشته باشید که همه مواد علاوه بر سایر صندوق های بین المللی پول دارای نیروی پراکندگی لندن هستند!

2. به یاد بیاورید که نقاط جوش مربوط به قدرت صندوق بین المللی پول است. هر چه صندوق بین المللی پول قوی تر باشد، نقطه جوش بالاتر است.

1. آب دارای بالاترین نقطه جوش، زیرا در نیروهای دوقطبی-دوقطبی و پیوند هیدروژنی شرکت می کند.
2. دی کلرومتان در رتبه بعدی قرار دارد زیرا در نیروهای دوقطبی-دوقطبی شرکت می کند.
3. پروپان دارای پایین ترین نقطه جوش زیرا فقط در نیروهای پراکندگی لندن شرکت می کند.