نیروهای بین مولکولی

نیروهای بین مولکولی

بهxadطور کلی بین اتمxadها، یونxadها و مولکولxadها برهمxadکنشxadهای زیر متداول هستند:

پیوند کووالانسی، پیوند یونی، پیوند فلزی، پیوند یون ـ دوقطبی، پیوند دوقطبی ـ دوقطبی، پیوند یون ـ دوقطبی لحظهxadای، پیوند دوقطبی ـ دوقطبی لحظهxadای، پیوند لاندن و پیوند هیدروژنی.

با پیوندهای کووالانسی و یونی قبلا آشنا شده ایم. با پیوند فلزی در بخش جامدات فلزی آشنا خواهیم شد. در ادامه با مابقی پیوندهای یاد شده که در آنها معمولا مولکولها نیز دخیل هستند، آشنا می شویم.

پیوند یون ـ دوقطبی

پیوند یون ـ دوقطبی برهمxadکنشی است که بین یک یون و یک مولکول قطبی شکل میxadگیرد. در واقع در صورتیکه سر ناهمنام یک مولکول قطبی در مجاورت یک یون قرار بگیرد، بین آنها جاذبه برقرار می شود که از آن بعنوان پیوند یون ـ دوقطبی یاد می شود. قدرت برهمxadکنش یون ـ دوقطبی متناسب با بار یون و گشتاور دوقطبی مولکول قطبی است و با افزایش فاصله کاهش میxadیابد.

پیوند یون ـ دوقطبی میxadتواند مثلاً موقع انحلال جامدات یونی در حلالxadهای قطبی یا جامدات یونی حاوی مولکولهای قطبی مثل آب مشاهده شود. هنگامیxadکه یک یون در یک حلال قطبی حل میxadشود، یون با مولکولxadهای حلال، حلالxadپوشی میxadشود و تعدادی پیوند یون ـ دوقطبی تشکیل میxadشود.

پیوند دوقطبی ـ دوقطبی

برهمxadکنشxadهایی هستند که بین مولکولxadهای قطبی بهxadوجود میxadآیند. در واقع در صورتیکه سرهای ناهمنام مولکولهای قطبی در مجاورت یکدیگر قرار بگیرند، بین آنها جاذبه برقرار می شود که از آن بعنوان پیوند دوقطبی ـ دوقطبی یا بطور خلاصه تر قطبی-قطبی یاد می شود.قدرت پیوندهای قطبی ـ قطبی متناسب با حاصلضرب گشتاور دوقطبی مولکولxadهای قطبی برهمxadکنشxadکننده هستند و مشابه دیگر برهمکنشxadها با افزایش فاصله ضعیفتر میxadشوند.

پیوند یون ـ دوقطبی لحظهxadای

برهمکنشی است که بین یک یون و یک مولکول غیرقطبی شکل میxadگیرد. ابر الکترونی مولکول غیرقطبی در حالت عادی متقارن است. حضور یک یون یا مجاورت مولکول غیرقطبی با یون تقارن ابر الکتریکی مولکول غیرقطبی را به علت جاذبه و دافعهxadی ابرالکتریکی مولکول غیرقطبی با یون بهم میزند. مثلاً اگر یون مثبت باشد، ابر الکترونی مولکول غیرقطبی به سمت یون مثبت کشیده میxadشود و در مجاورت یون مثبت فزونی ابر الکترونی یا بار جزئی منفی ایجاد می شود، درحالیxadکه در سمت دور از یون مثبت کمبود ابر الکترونی و بار جزئی مثبت ایجاد می شود.

به علت پیدایش بارهای جزئی در مولکول غیرقطبی، بین یون و مولکول غیرقطبی جاذبه برقرار میxadشود. به بارهای جزئی حاصله روی مولکول غیرقطبی که تحت تأثیر عامل خارجی بهxadوجود آمدهxadاند، بارهای جزئی القایی گفته میxadشود و مولکول غیرقطبی را که به صورت لحظهxadای بخاطر یک عامل خارجی به یک دوقطبی تبدیل شده است دوقطبی لحظهxadای یا القائی می نامند.

مقدار بارهای جزئی القا شده بر روی مولکول غیرقطبی تابعی از بار یون و سهولت قطبیده شدن مولکول غیرقطبی است و با افزایش آنها افزایش می یابد. قطبشxadپذیری بیانگرسهولت قطبیده شدن مولکول غیرقطبی است و به طور کلی با افزایش اندازهxadی مولکول افزایش میxadیابد. با افزایش بارهای جزئی القا شده بر روی مولکول غیرقطبی و بار یون و کاهش فاصله مولکول غیرقطبی و یون پیوند یون – دو قطبی لحظه ای قویتر میشود.

پیوند دوقطبی ـ دوقطبی لحظهxadای

برهمکنشی است که بین یک مولکول قطبی و یک مولکول غیرقطبی ایجاد میxadشود. در صورت مجاورت یک مولکول قطبی و یک مولکول غیرقطبی تحت تأثیر بارهای جزئی دائمی مولکول قطبی، در مولکول غیرقطبی بارهای جزئی القا میxadشوند، مولکول غیرقطبی به صورت یک دوقطبی لحظهxadای در میxadآید و بین مولکول قطبی و مولکول غیرقطبی جاذبه برقرار میxadشود که به جاذبه حاصل پیوند دو قطبی دائمی - دو قطبی لحظه ای( القائی) یا دو قطبی - دو قطبی لحظه ای( القائی) یا قطبی - قطبی لحظه ای( القائی) میگویند.

مقدار بارهای جزئی القایی و قدرت برهمکنش متناسب با گشتاور دوقطبی مولکول قطبی و قطبشxadپذیری مولکول غیرقطبی است. این برهمکنش مثلاً در انحلال مواد غیرقطبی در حلالxadهای قطبی یا بالعکس مشاهده میxadشود.

پیوند لاندن

برهمکنشی است که در کلیه مواد بین سایر برهمکنشهای ممکن وجود دارد. برای مواد غیر قطبی، این برهمکنش تنها برهمxadکنشxad ممکن بین مولکولxadهای غیرقطبی است و برای مابقی مواد معمولا ضعیف تر و کم اهمیت تر از برهمکنش های دیگر است، بهمین جهت پیوند لاندن برای مواد غیرقطبی بیشترین اهمیت را دارد و معمولا تشکیل آن بین مولکولxadهای غیرقطبی درنظرگرفته می شود و بررسی می شود. در صورتیکه به هر دلیلی تقارن ابر الکتریکی یک مولکول غیرقطبی بهم بخورد، مولکول غیرقطبی به یک دوقطبی لحظهxadای تبدیل میxadشود و این دوقطبی لحظهxadای، مولکولxadهای غیرقطبی اطراف را نیز به خاطر القا به دوقطبی لحظهxadای تبدیل خواهد کرد و در نتیجه بین مولکولxadها میxadتواند جاذبه برقرار شود. از جاذبه های حاصله بعنوان پیوند لاندن یاد می شود.

دوقطبیxadهای لحظهxadای ایجاد شده به راحتی میxadتوانند وارونه شوند و در نتیجه بهxadطور میانگین گشتاور دوقطبی مولکولxadها صفر است، اما جاذبهxadی بین آنxadها به طور میانگین غیر صفر است و وجود دارد. قدرت این برهمxadکنشxadها بستگی شدیدی به قطبشxadپذیری مولکول دارد و با افزایش اندازهxadی مولکول به سرعت رشد میxadکند.

نیروهای لاندن بهxadطور کلی تابعی از اندازهxadی مولکول و شکل مولکول هستند که اندازهxadی مولکول مهمترین فاکتور محسوب میxadشود.

هر چه اندازهxadی مولکول بزرگتر باشد (تعداد اتمهای بیشتری داشته باشد و از اتمهای بزرگتری تشکیل شده باشد)، ابر الکترونی آن نیز بزرگتر خواهد بود که قطبش پذیری بیشتری برای مولکول نتیجه خواهد داد و احتمال تشکیل دوقطبیxadهای لحظهxadای و گشتاور دو قطبی بالاتر برای دوقطبیxadهای لحظهxadای تشکیل شده بیشتر خواهد شد و بنابراین نیروهای لاندن و نیروهای بین مولکولی قویتر خواهند بود. این مطلب می تواند خودش را به صورت افزایش دمای ذوب و جوش ترکیبات با افزایش اندازه آنها نشان دهد.

با توجه به اینکه معمولاً با افزایش جرم مولکول، اندازهxadی مولکول نیز زیاد میxadشود، گاهی اوقات میxadگویند نیروهای لاندن با جرم مولکولxadها متناسبxadاند، اما در صورتیکه افزایش جرم مولکولها منجر به افزایش اندازه مولکولها نشود(مثل مورد ایزوتوپxadها) متناسب بودن نیروهای لاندن با جرم مولکولxadها صادق نخواهد بود. بعنوان مثال میتوان دمای جوش ایزوتوپ های هیدروژن(که تنها پیوند لاندن بین مولکولهای آنها وجود دارد) را درنظر گرفت. با وجوداینکه از هیدروژن به تریتیم جرم سه برابر میشود، اما اندازه و در نتیجه نیروهای بین مولکولی و دمای جوش چندان تغییر نمی یابد.

شکل مولکولها نیز در تعیین قدرت پیوندلاندن تاثیرگذار هستند. نیروهای لاندن برای تشکیل نیازمند تماس مولکولxadها با یکدیگرند. هر چه سطح تماس مولکولxadها با هم بیشتر باشد، نیروهای لاندن نیز قویتر خواهند بود. شکلxadهای مسطح به مولکولxadها اجازه میxadدهند که سطح تماس خوبی داشته باشند و در نتیجه لاندن خوبی برقرار کنند. شکلxadهای کروی سطح تماس کمی دارند و منجر به نیروهای لاندن ضعیفتر میxadشوند. به عنوان مثال BF3 و CF4 هر دو غیرقطبی هستند و CF4 بزرگتر از BF3 است. با این وجود به دلیل شکل مسطح BF3 در مقایسه با شکل کروی CF4 دمای جوش BF3 بیشتر از CF4 است.

پیوند هیدروژنی

پیوندی است که بین یک اتم هیدروژن با بار جزئی مثبت بزرگ (بعلت اتصال به اتمxadهای الکترونگاتیوی مثل فلوئور، اکسیژن و نیتروژن یا اتصال به گروه های الکترونگاتیوی مثل –CF3 و –CCl3 ) و یک اتم کوچک حاوی جفت الکترون غیرپیوندی با بار جزئی منفی بزرگ (که معمولا فلوئور، اکسیژن و نیتروژن در این شرایط صدق می کنند) تشکیل میxadشود. معمولا پیوند هیدروژنی را با نقطه چین بین اتم هیدروژن و اتم دیگر تشکیل دهنده پیوند هیدروژنی نمایش می دهیم. بعنوان مثال در مواد HF ، H2O و NH3 پیوند هیدروژنی بین مولکولها داریم.

معمولا با افزایش بار جزئی مثبت روی هیدروژن و بار جزئی منفی روی اتم دیگر پیوند هیدروژنی قویتر میشود.

پیوند هیدروژنی ضعیفتر از پیوند یونی و کووالانسی اما معمولا قویتر از دیگر پیوندها مثل قطبی و لاندن است. بنابراین ترکیبات با قابلیت تشکیل پیوند هیدروژنی از ترکیبات قطبی و غیرقطبی بدون این قابلیت معمولاً دمای ذوب و جوش بیشتری دارند. بعنوان مثال در حالیکه در ترکیبات دو تایی عناصر گروه چهار اصلی با هیدروژن یعنی CH4, SiH4, GeH4, SnH4, PbH4 از CH4 به PbH4 بعلت افزایش اندازه و قدرت نیروهای بین مولکولی لاندن دمای جوش افزایش می یابد، در ترکیبات دو تایی عناصر گروه پنجم اصلی با هیدروژن یعنیNH3, PH3, AsH3, SbH3 از PH3 به SbH3 دمای جوش بعلت افزایش اندازه و قدرت نیروهای بین مولکولی لاندن افزایش می یابد، اما دمای جوش NH3 که می تواند پیوند هیدروژنی بدهد از PH3 با وجود آنکه اندازه بزرگتری دارد اما پیوند هیدروژنی ندارد بیشتر است. روند مشابهی برای دمای جوش ترکیبات دو تایی عناصر گروه ششم و هفتم اصلی با هیدروژن مشاهده می شود.

زاویهxadی ایدهxadآل برای پیوند هیدروژنی و پیوند کووالانسی حول اتم هیدروژن برابر 180 درجه است ( دقت داشته باشید که در اینجا حول اتم هیدروژن می توانیم آرایش AB2 در نظر بگیریم). بهمین جهت مواد حاوی پیوند هیدروژنی ساختارهایی با ویژگیهای بخصوصی اتخاذ می کنند که این زاویه را داشته باشند. بعنوان مثال در یخ هر مولکول آب با چهار مولکول آب دیگر پیوند هیدروژنی میxadدهد و به منظور ایجاد زاویهxadی ایدهxadآل 180 درجه یخ مجبور است ساختاری پرحفره یا باز داشته باشد. هنگامیxadکه یخ آب میxadشود برخی از پیوندهای هیدروژنی شکسته میشوند و حفرهxadهای ساختار باز شروع به پر شدن میکنند. به همین جهت چگالی آب از یخ بیشتر است. برای آب از صفر درجهxadی سانتیگراد تا حدود 4 درجهxadی سانتیگراد با افزایش دما پیوندهای هیدروژنی بیشتری میxadشکنند و حفرهxadها بیشتر پر میxadشوند. در نتیجه چگالی آب از صفر درجهxadی سانتیگراد تا حدود چهار درجهxadی سانتیگراد افزایش میxadیابد. از چهار درجهxadی سانتیگراد به بالا با افزایش دما به علت افزایش جنب و جوشxadهای مولکولی و دورتر شدن مولکولxadها از هم حجم زیادتر میxadشوند و چگالی کاهش میxadیابد.

در تعیین دمای جوش هم قدرت پیوند هیدروژنی و هم تعداد پیوند هیدروژنی حائز اهمیت است. بعنوان مثال با وجود قویتر بودن پیوند هیدروژنی در HF دمای جوش H2O بعلت تعداد پیوند بیشتر بالاتر است.

مقایسهxadی قدرت پیوندها

مقایسه قدرت پیوندهای مختلف در مقایسه خواص مواد مختلف حاوی این پیوندها مفید واقع میشود. بطور کلی پیوندهای یونی، کووالانسی و فلزی قویتر از دیگر پیوندها هستند. برای مابقی پیوندها ترتیب از قویترین به ضعیفترین معمولا بصورت یونxadـxadقطبی، لاندن مولکولxadهای بزرگ، هیدروژنی، قطبیxadـxadقطبی، یونxadـxadقطبی لحظهxadای، قطبیxadـxadقطبی لحظهxadای و لاندن مولکولxadهای کوچک است.

دسته بندی :