Tiltrækkende kræfter i forbindelser
Nu vil vi se på de tiltrækkende kræfter, som holder molekylerne og ionerne tæt sammen i flydende og faste stoffer. Et fast stof smelter, og et flydende stof koger, når der tilføres nok varme til at forstyrre de tiltrækkende kræfter mellem partiklerne. Når den tiltrækkende kraft i et stof er svag, har stoffet et relativt lavt smelte- og kogepunkt. Når den tiltrækkende kraft i et stof er stærk, har stoffet et relativt højt smelte- og kogepunkt. Sådanne forskelle i egenskaberne, forklares ved at se på de forskellige typer af tiltrækkende kræfter mellem partikler, inklusiv dipol-dipol tiltrækning, hydrogenbindinger, og dispersionskræfter.
Dipol-dipol tiltrækning
Alle polære molekyler er tiltrukket til hinanden ved dipol-dipol tiltrækninger. Fordi polære molekyler har dipoler, er den positivt ladede ende af dipolen i et molekyler, tiltrukket af den negative ende af dipolen i et andet molekyle. For eksempel danner de polære molekyler fra HCl tiltrækninger mellem det delvist positivt ladede H-atom i et HCl molekyle, og det delvist negativt ladede Cl-atom i et andet HCl molekyle.
Hydrogenbindinger
Polære molekyler der indeholder hydrogenatomer bundet til de stærkt elektronegative atomer fluor, oxygen, eller nitrogen, danner specielt stærke dipol-dipol tiltrækninger. Disse tiltrækninger, kaldet hydrogenbindinger, opstår mellem det delvist positive hydrogenatom i et molekyle, og det delvist negativt ladede nitrogen- oxygen-, eller fluoratom i et andet molekyle. Hydrogenbindinger er den stærkeste type af tiltrækkende kræfter mellem polære kovalente molekyler, men de er svagere end kovalente bindinger eller ionbindinger. De er en vigtig faktor i dannelsen og strukturen af biologiske molekyler, som for eksempel proteiner og DNA.
Dispersionskræfter
Meget svage tiltrækkende kræfter, kaldet dispersionskræfter, er den eneste type tiltrækning, som opstår mellem upolære molekyler. Normalt er elektronerne i et upolært kovalent molekyle, fordelt symmetrisk. Bevægelser af elektronerne, kan imidlertid placere flere elektroner i den ene ende af molekylet, end den anden, og danne en midlertidig dipol. Disse midlertidige dipoler i hvad der normalt er upolære forbindelser, vil tilpasse molekylerne så den positive ende af et molekyle, bliver tiltrukket af den negative ende af et andet molekyle. Selvom dispersionskræfter er meget svage, gør de det muligt for upolære molekyler, at danne faste og flydende stoffer.
De forskellige typer af tiltrækningskræfter inden for ionforbindelser og molekylære forbindelser, og mellem partiklerne i faste og flydende stoffer, er vist i tabel 10.6.
Konceptforståelse 10.7 |
Tiltrækkende kræfter mellem partiklerAngiv hovedtypen af molekylær interaktion — dipol-dipol tiltrækning, hydrogenbindinger, eller dispersionskræfter — der forventes i hver af følgende molekyler: a. HF b. F2 c. PCl3 Svara. Et HF molekyle interagerer med andre HF molekyler bed hydrogenbindinger. b. Fordi F2 molekylet er upolært, er den eneste molekylære interaktion, dispersionskræfterne. c. Polariteten af PCl3 molekylet, levere dipol-dipol tiltrækninger. |
Størrelse, masse og kogepunkter
Som størrelsen og massen af lignende typer af molekylære forbindelser stiger, er der flere elektroner som danner stærkere midlertidige dipoler. Generelt, har større upolære molekyler med højere molmasser, også højere kogepunkter. Som den molare masse af lignende forbindelser stiger, stiger dispersionskræfterne også, på grund af det øgede antal elektroner. Vi kan se denne tendens i kogepunkterne, for de første fire alkener vist i tabel 10.7.
Konceptforståelse 10.8 |
Kogepunkter ved stigende molare masserHvilken forbindelse har det højeste kogepunkt: CH4 eller GeH4? SvarForbindelse med den største molare masse, vil have det højeste kogepunkt. Som den molare masse stiger, er der flere elektroner, og stærkere dispersionskræfter. CH4 — 16,04 g/mol GeH4 — 76,67 g/mol Derfor, har GeH4, der har den højeste molare masse, også det højeste kogepunkt. |
Tiltrækkende kræfter og smeltepunkter
Smeltepunktet for et stof, er relateret til styrken af de tiltrækkende kræfter mellem stoffets partikler. En forbindelse med svage tiltrækkende kræfter, som for eksempel dispersionskræfter, har et lavt smeltepunkt, fordi der kun kræves en lille mængde energi, for at adskille molekylerne fra den faste form, og danne en væske. En forbindelse med dipol-dipol tiltrækninger, kræver mere energi for at bryde de tiltrækkende kræfter, som holder partiklerne sammen. En forbindelse der kan danne hydrogenbindinger, kræver endnu mere energi, for at bryde de tiltrækkende kræfter der eksisterer mellem molekylerne. De højeste smeltepunkter ses hos ionforbindelser, som har meget stærke tiltrækninger mellem de positive og negative ioner. Store mængder energi kræves, for at bryde de stærke tiltrækkende kræfter mellem positive og negative ioner, for at smelte en ionforbindelse. For eksempel den faste ionforbindelse NaCl, smelter ved 801 ºC. Tabel 10.8 sammenligner smeltepunkterne for nogle stoffer, der har forskellige typer af tiltrækkende kræfter.