ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

Gazy nawet typu He lub H₂ można skroplić i nawet zestalić.

Woda H₂O (m. cz. = 18) jest cieczą, H₂S (m. cz. = 34) jest gazem.

n-pentan C₅H₁₂ CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH_3­ t. w. = 36 ^o C

2,2-dimetylopropan C₅H₁₂ t. w. = 10 ^o C

ta sama masa cząsteczkowa co n-pentan

Jakie oddziaływania mają miejsce między cząsteczkami i co z nich wynika?

Typy oddziaływań międzycząsteczkowych

1. Siły dyspersyjne Londona (Van der Waalsa)
   Typowa energia ~ 2 KJ · mol^-1.
   Nawet całkowicie niepolarne cząsteczki (N₂, H₂) i pojedyncze ato­my (He, Ne) dają się skroplić lub zestalić.
   Kiedy mówimy, że jakaś cząsteczka jest niepolarna, to rozumiemy, że uśredniony moment dipolowy wynosi 0. Ale on się zmienia w czasie. Przyczyna - fluktuacje chmur elektronowych.
   Dwa chwilowe dipole się przyciągają. Ulegają temu oddziaływaniu wszystkie cząsteczki.
   
   
   
   
   
   
   Oddziaływania najsłabsze,
   ale addytywne. Dla długich
   łańcuchów dość duże.
   Im więcej elektronów w cząsteczce tym tego typu oddziaływania silniejsze. F₂ - gaz, Cl₂ - gaz, Br₂ - ciecz, I₂ - ciało stałe.
   n-pentan C₅H₁₂ ruchliwa ciecz, n-pentadekan C₁₅H₃₂ - olej,
   n-oktadekan C₁₈H₃₈ - woskowate ciało stałe.
   
   Kształt cząsteczki - im bardziej „kulista” cząsteczka tym oddziaływania słabsze.
   
   
   

2. Oddziaływania dipol-dipol, dla substancji polarnych, trwałe ła­dunki cząstkowe sąsiednich cząsteczek oddziaływają między sobą.
   Typowa energia ~ 2 KJ · mol^-1. Jeżeli cząsteczki rotują (faza ga­zo­wa) to tylko ~ 0,3 KJ · mol^-1. Skraplanie i zestalanie gazów po­lar­nych jest częściowo spowodowane tym oddziaływaniem
   
   
   

3. Oddziaływania dipol-dipol indukowany, oddziaływania raczej słabe, ale np. „ luźne związki CH₄ z wodą ”, hydraty gazów szlachetnych (stosunkowo trwałe). Często ciecze i ciała stałe są utrzymywane razem przez te wszystkie siły razem. Nazywa się je wtedy siłami van der Waals'a.

4. Wiązania wodorowe. Jest utworzone przez atom wodoru między dwoma małymi elektroujemnymi atomami (N, O i F)
   Typowa energia ~ 20 KJ · mol^-1. Najsilniejsze z oddziaływań międzycząsteczkowych. Ale entalpia wiązania H₂ = 436 KJ · mol^-1.
   Temp. wrzenia (^o C) - miara oddziaływań międzycząsteczkowych
   HF (19,5), HCl (-84,2), HBr (-67,1), HI (-35,1)
   H₂O (100), H₂S (-60,1), H₂Se (-41,3), H₂Te (-4,1).
   NH₃ (-34,5), PH₃ (-87,7), AsH₃ (-62,4), SbH₃ (-18,4).
   CH₄ (-161,5), SiH₄ (-118,8), GeH₄ (-88,1), SnH₄ (-52,5).
   

Woda - skomplikowany układ wiązań wodorowych

Podobnie amoniak

dobra rozpuszczalność HF we wodzie i alkoholu we wodzie.

Alk. etylowy (M.cz. 46) tw.=78,3 ^oC eter met. (M.cz. 46) tw.=-24 ^oC

Przykłady biologiczne: drewno, białka, łańcuch DNA

Ciecze i CIAŁA STAŁE

Ciecze; atomy jony lub cząsteczki są blisko siebie, ściśliwość cieczy jest niewielka, ale oddziaływania międzycząsteczkowe pozwalają na nieza­leż­ny ruch cząsteczek, jonów lub atomów wobec siebie.

Lepkość cieczy - wynik oddziaływań międzycząsteczkowych.

Rtęć, kwas siarkowy, gliceryna, pentadekan, woda, eter metylowy

Napięcie powierzchniowe wynika z niezrównoważenia sił międzycząs­tecz­kowych przy powierzchni cieczy (siły kapilarne, menisk).

Siły adhezji: oddziaływanie powierzchnia - cząsteczki w cieczy.

Siły kohezji: oddziaływanie cząsteczki w cieczy - cząsteczki w cieczy.

Ciała stałe; atomy jony lub cząsteczki są blisko siebie, oddziały­wania międzycząsteczkowe nie pozwalają na nieza­leż­ny ruch cząsteczek, jo­nów lub atomów wobec siebie. Ciała stałe dzielą się na:

1. bezpostaciowe (amorficzne) np. szkło, kauczuk, smalec, szkło kwarcowe.. Atomy, jony lub cząsteczki są rozmieszczone bezładnie.

2. krystaliczne np. chlorek sodu, metale, siarka rombowa, fosfor czar­ny, naftalen, kwarc. Atomy, jony lub cząsteczki są rozmiesz­czone w sposób uporządkowany tworząc sieć krystaliczną. Wyka­zują płaskie powierzchnie zwane ścianami kryształu.

3. ciekłe kryształy, właściwości pośrednie między cieczą a ciałem krystalicznym.

Ciała krystaliczne; podział ze względu na oddziaływania międzyczą­stecz­kowe scalające kryształ.

1. Metale, scalone przez wiązanie metaliczne, pierwiastki bloków s, p i d. K, Ba, Au, Al., Fe, Pt. Kowalne, ciągliwe, przewodniki ciepła i prądu elektrycznego.

2. Jonowe, scalone przez przyciąganie się anionów i kationów. Sole, tlenki, wodorotlenki. NaCl, BaO, KOH, Twarde, sztywne, kruche, wysokie tempera­tury topnienia i wrzenia. Stopione oraz rozpusz­czone we wodzie przewodzą prąd elektryczny.

3. Kowalencyjne, usieciowane przez oddziaływania kowalencyjne w całej objętości kryształu. Diament, kwarc, bor. Twarde, sztywne, kruche, wysokie tempera­tury topnienia i wrzenia, nierozpuszczal­ne we wodzie. W stanie stopionym nie przewodzą prądu elektrycz­nego

4. Molekularne, usieciowane przez oddziaływania międzycząstecz­kowe typu dyspersyjne, dipol - dipol lub wiązanie wodorowe. P₄, I₂, lód, naftalen. Stosunkowo niskie tempera­tury topnienia i wrze­nia, kruche.

Metale.

Sieć przestrzenna zbudowana jest z jonów metalu otoczonych morzem elektronów, stąd połysk, kowalność, przewodnictwo elektronowe.

Pasmowa teoria ciała stałego.

Jest to zastosowanie teorii orbitali molekularnych do makrocząste­czek. Rozpatrzmy ”cząsteczkę” składającą się z 1g sodu ( 1 mol Na = 23g) - 2,62 · 10²² atomów sodu co daje 2,62 · 10²² orbitali atomowych 3s z obsadzeniem 2,62 · 10²² elektronów. Tworzymy 2,62 · 10²² orbitale

mo­lekularne, tylko około połowa obsadzona jest przez pary elekt­ro­­­no­we.

Przewodniki, izolatory, półprzewodniki

CB - pasmo przewodzenia

(conductivity band)

poziom Fermiego

(najwyższy poziom

obsadzony)

VB - pasmo walencyjne

(valence band)

Domieszkowanie półprzewodników, n arsen, p bor.

8

---