Oddziaływania międzycząsteczkowe
Atomy mogą wiązać się w cząsteczki. Cząsteczki, nawet te pozbawione ładunku elektrycznego, oddziałują między sobą. Tylko dzięki tym oddziaływaniom możliwe jest istnienie cieczy i większości ciał stałych. Prawie wszystkie własności materii określone są przez charakter tych oddziaływań.Wiadomo, że siły przyciągające nie mogą zapewnić powstawania stabilnych ograniczonych układów cząsteczek (cały Wszechświat zapadłby się do jednego punktu). Na bardzo małych odległościach muszą działać między nimi siły odpychające.
Co to są oddziaływania?
Oddziaływania nazywa się siłami, gdy można podać ich wartość liczbową, będącą miarą oddziaływania. Tak naprawdę siła stanowi tylko szczególny przypadek oddziaływania. Jak się wkrótce okaże, oddziaływania mogą się przejawiać na wiele różnych sposobów, nie tylko jako siły!
Teoria van der Waalsa
Wychodząc z tych jakościowych informacji holenderski fizyk, van der Waals, który jako pierwszy zwrócił uwagę na istotną rolę oddziaływań międzycząsteczkowych w gazach, znalazł równanie stanu gazu rzeczywistego. Równanie to obejmuje w przybliżeniu nie tylko własności gazów, lecz także proces ich skraplania. Siły międzycząsteczkowe nazywane są często siłami van der Waalsa. Szczegółową teorię oddziaływań van der Waalsa podali Wang i London w końcu lat dwudziestych naszego wieku. Według niej teoria oddziaływania dwóch molekuł jest sumą energii oddziaływania elektrostatycznego, Eelst, oddziaływania indukcyjnego, Eind. Całkowitą pracę potrzebną do rozbicia ciała stałego na izolowane cząsteczki w przeliczeniu na jedną molekułę nazywamy energią kohezji (spójności)
Do oddziaływań międzycząsteczkowych wkład wnoszą głównie:
oddziaływanie elektrostatyczne,
indukcyjne,
dyspersyjne,
wymienne
indukcyjno-wymienne
dyspersyjno-wymienne.
1.Oddziaływanie elektrostatyczne
jest to wzajemne przyciąganie się lub odpychanie cząsteczek o trwałym rozkładzie ładunku, np. 2 jonów lub jonu i trwałego dipola;
2.Indukcyjne
przyciąganie między cząsteczką o trwałym rozkładzie ładunku (np. jonem, dipolem) i wyindukowanym przez nią multipolem (np. dipolem);
3.Dyspersyjne
przyciąganie między chwilowymi multipolami (gł. dipolami) wzajemnie indukowanymi w obu cząsteczkach;
4.Wymienne
będące rezultatem przenikania się chmur elektronowych opisanych fermionowymi funkcjami falowymi, w przypadku oddziaływania cząsteczek zamknięto powłokowych zw. odpychaniem walencyjnym.
Pierwszy typ oddziaływań - siły van der Waalsa ujęciu mechaniki kwantowej siły te można podzielić na trzy rodzaje:
oddziaływanie dipol-dipol
przyciąganie dipol-dipol indukowany
oddziaływanie dipol chwilowy- dipol indukowany
Różnice oddziaływań dipolowych
Sens fizyczny oddziaływań dipol-dipol i dipol-dipol indukowany można wyrazić następująco. Dwie cząsteczki mające momenty dipolowe mogą przyjąć takie wzajemne położenie, że dodatni ładunek dipola jednej cząsteczki zbliży się do ujemnego ładunku dipola innej cząsteczki. W wyniku takiej orientacji nastąpi przyciąganie cząsteczek. Przyciąganie typu dipol-dipol indukowany wynika z polaryzacji niepolarnej cząsteczki w polu elektrycznym cząsteczki dipolowej co prowadzi do przyciągania obu cząsteczek.Oddziaływanie dipol chwilowy- dipol indukowany jest wywołane przez ciągłą fluktuację ładunku w cząsteczce czy atomie. Takie ciągłe zmiany rozkładu ładunku powodują powstawanie chwilowych momentów dipolowych, które mogą powodować przyciąganie innych cząsteczek zgodnie z mechanizmem dipol-dipol indukowany. Zjawisko to występuje np. w gazach szlachetnych umożliwiając ich skraplanie i tłumacząc wzrost temperatury wrzenia tych gazów wraz ze wzrostem ich liczby atomowej (oddziaływanie to jest tym większe im większa jest liczba elektronów w rozważanej cząsteczce czy atomie i im łatwiej są one polaryzowalne).
Oddziaływania jon-jon
Coulomba prawo [p. kulomba], jedno z podstawowych praw elektrostatyki; siła F wzajemnego oddziaływania 2 punktowych ładunków elektrycznych q1 i q2, odległych od siebie o r i znajdujących się w jednorodnym izotropowym ośrodku o przenikalności elektrycznej , ma wartość i jest skierowana wzdłuż prostej łaczącej te ładunki; przy czym ładunki o takim samym znaku (jednoimienne) odpychają się, a o przeciwnym znaku (różnoimienne) — przyciągają; analogicznym wzorem wyraża się siła wzajemnego oddziaływania 2 biegunów magnetycznych (ładunków magnetycznych); siła oddziaływania między bardziej złożonymi układami ładunków jest sumą wektorową sił oddziaływania ładunków punktowych tworzących układ. Prawo sformułował 1785 Ch.A. de Coulomb jako wynik pomiarów przy użyciu wagi skręceń.
Wiązania wodorowe
To rodzaj oddziaływania międzycząsteczkowego lub wewnątrzcząsteczkowego za pośrednictwem atomu wodoru; w w.w. atom wodoru tworzy mostek łączący dwa elektroujemne (elektroujemność) atomy X-H...Y; z jednym z nich (X) połączony jest wiązaniem kowalencyjnym (wiązanie chemiczne), a z drugim — siłami elektrostatycznymi; w.w. między dwoma atomami wchodzącymi w skład 2 cząsteczek tej samej lub różnych substancji chem. nazywa się w.w. międzycząsteczkowym, a w.w. między atomami w tej samej cząsteczce — w.w. wewnątrzcząsteczkowym; energia w.w. osiąga wartość ok. 16-27 kJ/mol; w.w. ma istotne znaczenie w asocjacji cząsteczek, występuje w bardzo wielu związkach chem., m.in. w wodzie, białkach i kwasach nukleinowych; w.w. wywiera wpływ na temp. wrzenia, rozpuszczalność związków, odgrywa również istotną rolę przy tworzeniu drugorzędowej struktury białek, struktury kwasów nukleinowych