Oddziaływania
międzycząsteczkowe
1
Oddziaływania międzycząsteczkowe są siłami elektro-
statycznego przyciągania między cząsteczkami lub atoma-
mi. Oddziaływania te nie są wiązaniami chemicznymi.
Do oddziaływań międzycząsteczkowych zaliczamy:
1. WiÄ…zania wodorowe
2. Oddziaływania jon  jon
3. Siły van der Waalsa
Siła oddziaływań międzycząsteczkowych:
Siły van der Waalsa < wiąz. wodorowe < oddz. jon  jon
2
Wiązania wodorowe powstają między cząsteczkami, które
spełniają następujące warunki:
1. W obu cząsteczkach występują atomy silnie
elektroujemnych pierwiastków (F, O, N).
2. Przynajmniej w jednej cząsteczce musi się znajdować
atom wodoru zwiÄ…zany kowalencyjnie z atomem silnie
elektroujemnym.
3. Cząsteczki muszą się zbliżyć do siebie w taki sposób,
aby atom wodoru zwiÄ…zany kowalencyjnie z atomem
elektroujemnym jednej cząsteczki, spotkał się z atomem
elektroujemnym drugiej czÄ…steczki.
3
4. WiÄ…zanie wodorowe jest najsilniejsze gdy atomy
elektroujemne i atom wodoru między nimi leżą w jednej
linii.
Wiązania wodorowe są 10  30 razy słabsze od
wiązań chemicznych (kowalencyjnych, jonowych).
W układach bilogicznych komórkach wiązania
wodorowe występują pomiędzy parami atomów:
O i O, N i N, O i N.
4
H
´+ ´-
R N H O
H H
amina - woda
H R1
RN HN
H H
amina - amina
5
H
R O H O
alkohol-alkohol
R
H R
N C
woda-amid O H
H
O
H
H O
O
C R
R C
2 kwasy karboksylowe
O H O
6
H
O
H
H
O H
O
H O
H
H
H
H O
H
7
Nazwa Masa Maks. liczba Temp.
molowa wiązań wrzenia
wodorowych
Propan 44 0 - 42ºC
Woda 18 4 100ºC
Metanol 32 3 65ºC
Etanol 46 3 78ºC
Eter 46 0 - 42ºC
dimetylowy
Eter 70 0 35ºC
dietylowy
8
Oddziaływania jon  jon
Są to siły przyciągania między cząsteczkami posiadającymi
różnoimienne ładunki elektryczne.
Różnią się od wiązań jonowych tym, że ładunki elektryczne
są rozmyte (zdelokalizowane) na kilka atomów, a odleg-
łości między ładunkami są znacznie większe w porównaniu
z odległościami między jonami w sieci krystalicznej.
Podlegają prawu Coulomba czyli siła oddziaływań jest
proporcjonalna do 1/r2, gdzie r jest odległością między
Å‚adunkami.
9
H
O
R C
H N R1
O
H
Oddziaływanie jon  jon jest często spotykanym wiązaniem
stabilizującym III-rzędową strukturę białek.
Oddziaływania tego typu są silnie osłabiane przez jony soli
obecne w roztworze, które powodują efekt  ekranowania .
H
O
R C
Na Cl H N R1
O
H
10
Siły van der Waalsa (oddziaływania Londona,
oddziaływania dyspersyjne)
Najsłabsze oddziaływania międzycząsteczkowe.
Występują pomiędzy wszystkimi rodzajami cząsteczek.
Istnieją trzy rodzaje takich oddziaływań:
Dipol trwały  dipol trwały (efekt orientacyjny)
Dipol trwały  dipol indukowany (efekt indukcyjny)
lub jon  dipol indukowany
Dipol chwilowy  dipol chwilowy (efekt dyspersyjny)
11
Efekt orientacyjny
12
Efekt indukcyjny
Siła oddziaływań proporcjonalna do 1/r4
13
Efekt dyspersyjny
Siła oddziaływań proporcjonalna do 1/r6
14
Roztwory
Roztworem nazywamy jednorodnÄ… mieszaninÄ™ substancji
stanowiÄ…cÄ… jednÄ… fazÄ™.
Roztwory mogą się znajdować w stanie gazowym, ciekłym
lub stałym.
Substancję, która występuje w nadmiarze nazywamy
rozpuszczalnikiem.
Roztwory właściwe składają się z rozpuszczalnika i sub-
stancji rozpuszczonej, której wymiary wynoszą poniżej 10-7
cm (1 nm). Roztwory właściwe nie dają efektu Tyndalla.
Roztwory koloidalne zawierajÄ… czÄ…stki substancji
rozpuszczonej o wymiarach 1  200 nm, dajÄ… efekt
Tyndalla.
15
Mechanizmy tworzenia roztworów
1. Solwatacja (hydratacja)
2. Dyspersja
3. Reakcja chemiczna
16
1. Solwatacja
Proces otaczania czÄ…steczek substancji rozpuszczonej
przez czÄ…steczki rozpuszczalnika stabilizowany przez
oddziaływania międzycząsteczkowe. Powstają tzw.
solwaty.
Zachodzi wówczas, gdy obie substancje mają charakter
polarny i mogą się przyciągać lub mogą tworzyć wiązania
wodorowe.
Mechanizm solwatacji zachodzi podczas rozpuszczania w
wodzie soli i wodorotlenków lub związków z grupami silnie
polarnymi np. wodorotlenowymi lub aminowymi.
17
Solwatacja (hydratacja) w wyniku oddziaływań dipol - jon
18
Hydratacja w wyniku tworzenia wiązań wodorowych
H
H O
H
H
H C
H
N C
O H
H
O
H
H
O
H
H O
H
O
H
H
19
2. Dyspersja
Zachodzi wówczas, gdy obie substancje mają charakter
apolarny. Nie dochodzi wtedy do solwatacji lecz w wyniku
procesów dyfuzji następuje ujednorodnienie układu
dwufazowego do jednofazowego.
Powodem dyfuzji są w tym przypadku oddziaływania
międzycząsteczkowe typu dipol chwilowy  dipol chwilowy,
czyli siły van der Waalsa (efekt dyspersyjny).
Przykładem może być np. rozpuszczanie toluenu w
benzenie.
20
Tworzenie roztworu w wyniku dyspersji zachodzi także w
trakcie rozpuszczania substancji apolarnej w rozpuszczal-
niku polarnym (np. tlen w wodzie) lub odwrotnie (np. woda
w benzenie).
Do dyspersji dochodzi w wyniku oddziaływań typu dipol
trwały  dipol indukowany, czyli sił van der Waalsa (efekt
indukcyjny).
W układach tego rodzaju roztwory mają bardzo niskie
stężenia.
21
3. Reakcja chemiczna pomiędzy rozpuszczalnikiem i
czÄ…steczkami substancji rozpuszczanej. PowstajÄ… nowe
zwiÄ…zki chemiczne.
2Na + 2H2O 2Na + 2OH + H2
HCl + H2O H3O + Cl
RCOOH + H2O H3O + RCOO
NH3 + H2O NH4 + OH
22
Rozpuszczalność (definicje)
Definicja potoczna
Zdolność substancji do rozpuszczania się.
Definicja chemiczna 1
Masa substancji wyrażona w gramach, która tworzy w
określonych warunkach (temp. i ciśnienia) roztwór
nasycony w 100 g danego rozpuszczalnika.
Stosowana jest w katalogach i kalendarzach chemicznych
w celu charakterystyki właściwości danego związku.
Definicja chemiczna 2
Rozpuszczalność (S) jest to stężenie molowe nasyconego
roztworu danej substancji w określonych warunkach (temp.
i ciśnienia).
Stosowana do obliczeń.
23
Nie ma prostego związku między budową cząsteczek roz-
puszczalnika, a budowÄ… czÄ…steczek substancji rozpusz-
czonej.
Istnieje ogólna tendencja, że substancje jonowe i polarne
rozpuszczajÄ… siÄ™ lepiej w rozpuszczalnikach polarnych, a
substancje apolarne w rozpuszczalnikach apolarnych.
Istnieje jednak bardzo wiele przykładów, że substancje
jonowe (sole i wodorotlenki) rozpuszczajÄ… siÄ™ w wodzie
bardzo słabo (AgCl, PbS, BaSO4, Ca(OH)2).
ZwiÄ…zki kowalencyjne z grupami polarnymi zwykle dobrze
rozpuszczają się w wodzie, ale rozpuszczalność spada dla
związków makrocząsteczkowych (np. skrobia, białka),
które tworzą roztwory koloidalne.
24
metanol etanol propanol
Rozpuszczają się w wodzie bez ograniczeń
n-pentanol
n-butanol
S = 2,7 g/100g
S = 9 g/100g
25
W miarę wzrostu części apolarnej cząsteczki obniża się
stała dielektryczna związku i jego rozpuszczalność w wo-
dzie maleje.
StaÅ‚a dielektryczna µ, wskazuje ile razy oddziaÅ‚ywanie
między ładunkami elektrycznymi jest słabsze w obecnoś-
ci danego rozpuszczalnika w porównaniu z próżnią.
µµ
próżnia 1 aceton 21,4
woda 80 eter 4,3
metanol 33 benzen 2,4
etanol 24 CCl4 2,2
n-propanol 20 heksan 2
n-butanol 18
n-pentanol 16
26
Niektóre związki wykazują powinowactwo zarówno do
związków polarnych, jak również apolarnych.
CzÄ…steczki z wyraz
ną biegunowością polarności nazy-
wamy amfilowymi lub amfipatycznymi.
Jon stearynianowy jest amfipatyczny
(Å‚adunek ujemny zaznaczony kolorem czerwonym)
27
Właściwości roztworów
" Ciśnienie osmotyczne
" pH
" Efekt ebulioskopowy
" Efekt krioskopowy
" Przewodnictwo elektryczne
" Lepkość
Wszystkie te właściwości są proporcjonalne do stężenia
molowego roztworu.
28
Stężenia
1. UÅ‚amek molowy jest stosunkiem liczby moli danego
składnika roztworu do sumy liczby moli wszystkich
składników.
UÅ‚amek molowy jest rzadko stosowany w biochemii i
chemii organicznej. Stosowany jest w chemii fizycznej
do niektórych obliczeń.
2. Stężenie molowe (c) jest stosunkiem liczby moli sub-
stancji rozpuszczonej do objętości roztworu wyrażonej w
dm3.
Stężenie molowe zwane też molowością oznaczane jako c
lub M jest najczęściej stosowanym rodzajem stężenia.
29
n
jednostkÄ… c jest mol/dm3
c
=
V
Gdzie n jest liczbą moli, a V objętością w dm3.
Molowość można też obliczyć stosując jako n liczbę mmoli
i wyrażając objętość w cm3.
3. Stężenie procentowe (c%) jest stosunkiem masy
substancji rozpuszczonej do masy roztworu wyrażonym
w procentach.
m
x
c% 100%
=
M
30
Zależnie od potrzeb stosowane są różne odmiany stęże-
nia procentowego:
% wagowo  wagowy (stosunek mas, g/g), gdy gęstość
roztworu znacząco różni się od 1 g/cm3.
% wagowo  objętościowy (stosunek masy do objętości,
g/v), gdy gęstość roztworu w przybliżeniu wynosi 1
g/cm3.
% objętościowo  objętościowy (stosunek objętości, v/v),
gdy substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik sÄ…
roztworami.
31
Aktywność molowa
Zauważono, że właściwości stężonych roztworów niek-
tórych substancji (szczególnie mocnych elektrolitów) nie
Są wprost proporcjonalne do stężenia molowego.
W ramach tzw. teorii elektrolitów mocnych zapropono-
wano pojęcie aktywności molowej , nazywaną także
aktywnością roztworu, które w wielu równaniach powin-
no zastępować stężenie molowe.
Jednostką aktywności (a) jest mol/dm3.
Aktywność molowa jest efektywnym termodynamicznie
(pozornym) stężeniem roztworu przejawiającym się w
konkretnych właściwościach fizykochemicznych roztworu.
32
Pomiar przewodnictwa (niskie stężenie jonów)
_
+
+
_
_
+
33
Pomiar przewodnictwa (wysokie stężenie jonów)
_
+
_
+
+
_
_
_ _
+
+
+
_
34
0,20
0,15
0,10
0,05
C
a
0,00
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
Concentration (g/100g)
35
Aktywność zależy od stężenia molowego roztworu, lecz
nie jest do niego wprost proporcjonalna
a ~ c
a = f · c
gdzie f jest współczynnikiem aktywności zależnym od
siły oddziaływań między cząsteczkami substancji
rozpuszczonej.
0 d" f d" 1 czyli 0 d" a d" c
Aktywność jest równa molowości tylko w roztworach
nieskończenie rozcieńczonych (w praktyce o bardzo
niskim stężeniu), w których f = 1.
36
Molar concentration and activity
Wartość f zależy od oddziaływań między jonami. Im są
silniejsze, tym f jest niższy. Wzrost stężenia jonów
obniża współczynnik aktywności.
Absolutna wielkość ładunku jonów również ma wpływ
na f.
Np. jony Ca2+ wpływają na wartość f w większym
stopniu niż jony Na+ o tym samym stężeniu.
37