6. ιαμοριακές δυνάμεις

6. ιαμοριακές δυνάμεις ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι να γνωρίσουμε τα είδη των ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων των ομοιοπολικών ενώσεων και την επίδραση που ασκούν οι δυνάμεις αυτές στις φυσικές ιδιότητες των ενώσεων. 1

6. ιαμοριακές δυνάμεις Προσδοκώμενα αποτελέσματα Όταν θα έχετε μελετήσει αυτό το κεφάλαιο, θα μπορείτε να: ιαπιστώνετε εύκολα, αν ένα δεδομένο μόριο είναι πολικό ή όχι. Σχεδιάζετε διπολικές ροπές και να συγκρίνετε μόρια ως προς τη διπολική ροπή τους. Υπολογίζετε τα μερικά φορτία που φέρνουν τα άτομα πολικών μορίων. Ξεχωρίζετε έννοιες όπως, δυνάμεις London, δυνάμεις διπόλου διπόλου, δυνάμεις van der Waals, δεσμός υδρογόνου και να δίνετε σχετικά παραδείγματα. Συσχετίζετε διαμοριακές δυνάμεις με φυσικές ιδιότητες. Εξηγείτε γιατί το νερό είναι υγρό σε συνηθισμένες θερμοκρασίες και γιατί τα παγόβουνα επιπλέουν στους 2 ωκεανούς και δεν βουλιάζουν.

6. ιαμοριακές δυνάμεις Έννοιες κλειδιά εσμός υδρογόνου ιαμοριακές δυνάμεις ιπολική ροπή ίπολο ίπολο εξ επαγωγής υνάμεις διπόλου διπόλου υνάμεις London (ή διασποράς) υνάμεις van der Waals υνάμεις ιόντος διπόλου Πολικό μόριο Πολικότητα Πολωσιμότητα Στιγμιαίο δίπολο 3

6. ιαμοριακές δυνάμεις Ebbing: Ενότητες 10.2 και 11.5 6.1 Μοριακή γεωμετρία και πολικότητα μορίων 6.2 ιαμοριακές δυνάμεις 6.3 εσμός υδρογόνου 4

Πολικά μόρια και διπολική ροπή Ηλεκτραρνητικότητα: μέτρο της ικανότητας ενός ατόμου που βρίσκεταισεμόριοναέλκειπροςτομέροςτουδεσμικάe. Παράδειγμα Η Cl χ Cl = 3,0 χ Η = 2,1 χ = 0,9 Κάθε μόριο ΑΒ, για το οποίο χ 0, είναι πολικό πολωμένος δεσμός δ+ δ Cl ή Cl πολικό μόριο ιπολική ροπή (μ): ένα διανυσματικό μέγεθος που μετρά ποσοτικά το διαχωρισμό φορτίων σε ένα μόριο μ = δ r r = η απόσταση ανάμεσα στα μερικά φορτία δ+ και δ Μονάδα μέτρησης διπολικής ροπής 1 debye (D) = 3,34 10 30 C m (coulomb meter) 5

Άσκηση 6.1 Υπολογισμός μερικών φορτίων δ+ και δ Το μήκος του δεσμού στο μόριο ΗF είναι 0,92 Å. Το ΗF έχει διπολική ροπή ίση με 1,82 D. Υπολογίστε (σε μονάδες e) τα μερικά φορτία των ατόμων Η και F. Θα χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση ορισμού της διπολικής ροπής μ = δ r, τηνοποίαθαλύσουμεωςπροςτομερικόφορτίο δ. Πρώτα θα μετατρέψουμε τα debye σε Coulomb meter (Cm). 1 D = 3,34 10 30 Cm 1,82 D = 1,82 3,34 10 30 Cm = 6,08 10 30 Cm Επίσης, 0,92 Å = 92 10 12 m μ δ = = = r 92 10 m 30 6,08 10 C m 20-12 6,61 10 C 6

Άσκηση 6.1 Επειδή το φορτίο του ηλεκτρονίου (e) είναι 1,60 10 19 C, το φορτίο δ σε μονάδες e θα είναι 20 6,61 10 C δ = = 19 1,60 10 C/ e 0,413 e Ο διαχωρισμός των φορτίων στο μόριο F παριστάνεται ως εξής: +0,413 e 0,413 e F 7

Μέτρηση της διπολικής ροπής Προσανατολισμός πολικών μορίων (Α) χωρίς ηλεκτρικό πεδίο (Β) εντός ηλεκτρικού πεδίου (Α) (Β) Τα μη πολικά μόρια δεν επηρεάζονται από ηλεκτρικά πεδία. Τα πολικά μόρια, μπορούν και προσανατολίζονται μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο: τα αρνητικά τους άκρα στρέφονται προς τη θετική πλάκα, ενώ τα θετικά άκρα προς την αρνητική πλάκα. Αυτός ο προσανατολισμός των μορίων επηρεάζει τη χωρητικότητα των φορτισμένων πλακών. Μετρήσεις της χωρητικότητας πλακών με διάφορες ουσίες ανάμεσά τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εύρεση των διπολικών ροπών αυτών των ουσιών. 8

ιάκριση ενός πολικού υγρού από ένα μη πολικό Ηλεκτρικά φορτισμένη ράβδος Το νερό είναι ένα πολικό υγρό και γι' αυτό έλκεται προς την ηλεκτρικά φορτισμένη ράβδο. Το τετραχλωρίδιο του άνθρακα, CCl 4, είναι ένα μη πολικό υγρό και δεν έλκεται προς τη γυάλινη ράβδο. 9

Μοριακή γεωμετρία και πολικότητα μορίων O _ μολ Το μόριο Η 2 Οείναι κεκαμμένο. Οι επιμέρους διπολικές ροπές των δεσμών Ο Η δίνουν συνισταμένη διπολική ροπή μ ολ 0 μόριο πολικό Πειραματικά: μ(η 2 Ο) = 1,94 D Cl Cl C Cl μ ολ = 0 Cl Το μόριο CCl 4 είναι τετραεδρικό. Οι επιμέρους διπολικές ροπές των δεσμών C Cl δίνουν συνισταμένη διπολική ροπή μ ολ = 0 μόριομηπολικό 10

Μοριακή γεωμετρία και πολικότητα μορίων Γενικά, όλα τα μόρια του τύπου ΑΒ n (n = 2 6) είναι, λόγω συμμετρίας, μη πολικά, παρά την ύπαρξη επιμέρους διπολικών ροπών των δεσμών A B. Πολυατομικά μόρια των τύπων AB n E m (όπου Ε τα μονήρη ζεύγη ηλεκτρονίων κεντρικού ατόμου Α) είναι πολικά. Εξαίρεση αποτελούν τα μόρια του γενικού τύπου ΑΒ 2 Ε 3 που είναι γραμμικά, όπως π.χ. το XeF 2. Επίσης, ταμόριατουγενικούτύπουαβ 4 Ε 2, που είναι επίπεδα τετραγωνικά, όπως π.χ. το XeF 4. Συμπερασματικά: Για να πούμε αν ένα πολυατομικό μόριο είναι πολικό ή όχι, θα πρέπει, εκτός από την πολικότητα των δεσμών, να λαμβάνουμε υπ όψιν και τη μοριακή γεωμετρία. 11

Άσκηση 6.2 Σχέση γεωμετρίας και πολικότητας πολυατομικών μορίων Ποιο από τα παρακάτω μόρια θα περιμένατε, για λόγους συμμετρίας, να έχει διπολική ροπή ίση με μηδέν; Εξηγήστε. (α) SOCl 2 (β) SiF 4 (γ) OF 2 Γιαναπροβλέψουμεανέναμόριοέχειδιπολικήροπή (μ ολ 0), χρειαζόμαστε τις τιμές ηλεκτραρνητικότητας (χ) των ατόμων του και, εφόσον το μόριο αποτελείται από περισσότερα των δύο ατόμων, χρειαζόμαστε και την ακριβή γεωμετρία του. Τις τιμές χ τις παίρνουμε από πίνακες. Τη μοριακή γεωμετρία την προσδιορίζουμε βάσει της θεωρίας VSEPR. 12

Άσκηση 6.2 Μόρια του τύπου ΑΒ n (n = 2 6) είναι απολύτως συμμετρικά και δίνουν μ ολ = 0. Μόρια του τύπου ΑΒ n Ε m (με εξαίρεση τα ΑΒ 2 Ε 3 και ΑΒ 4 Ε 2 ) είναι μη συμμετρικά και έχουν μ ολ 0. Σύμφωναμεταπαραπάνω, θα έχουμε: ΑΒ 3 Ε τριγωνικό πυραμιδικό μ ολ 0 ΑΒ 4 τετραεδρικό μ ολ = 0 ΑΒ 2 Ε 2 κεκαμμένο μ ολ 0 13

Επίδραση των μονήρων ΗΖ πάνω στη διπολική ροπή μ ολ = 1,47 D Ερμηνεία της μικρής διπολικής ροπής του NF 3 Η διπολική ροπή που οφείλεται στο μονήρες ΗΖ αντισταθμίζει τις διπολικές ροπές των δεσμών N F και το μόριο NF 3 εμφανίζεται με πολύ μικρή διπολική ροπή. μ ολ = 0,2 D Αντίθετα, στο μόριο ΝΗ 3, η διπολική ροπή του μονήρους ΗΖ ενισχύει τις διπολικές ροπές των δεσμών Ν Η. 14

ιαμοριακές δυνάμεις Πολλές από τις φυσικές ιδιότητες των υγρών, αλλά και ορισμένων στερεών, μπορούν να ερμηνευθούν με βάση τις διαμοριακές δυνάμεις, δηλαδή τις ελκτικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ μορίων. Μεταξύ ουδέτερων μορίων υπάρχουν τρεις τύποι ελκτικών δυνάμεων: οι δυνάμεις διπόλου διπόλου, οι δυνάμεις διασποράς ή δυνάμεις London και οι δυνάμεις δεσμών υδρογόνου. Οόροςδυνάμειςvan der Waals είναι ένας γενικός όρος που συμπεριλαμβάνει τις διαμοριακές δυνάμεις διπόλου διπόλου και τις δυνάμεις London. 15

υνάμεις διπόλου διπόλου Στερεό ΗCl Α Η δύναμη διπόλου διπόλου είναι μια ελκτική διαμοριακή δύναμη που προκύπτει από την τάση πολικών μορίων να ευθυγραμμίζονται έτσι ώστε το θετικό άκρο ενός μορίου να είναικοντάστοαρνητικόάκροενός άλλου μορίου. (Α) Στη στερεά φάση, τα πολικά μόρια τείνουν να ευθυγραμμισθούν έτσι ώστε τα θετικά άκρα να "βλέπουν" τα αρνητικά. Υγρό ΗCl Β (Β) Στην υγρή φάση, η συνηθισμένη τυχαία κίνηση των μορίων καταστρέφει εν μέρει την ευθυγράμμιση των πολικών μορίων που είχαμε στη στερεή φάση. 16

υνάμεις διασποράς ή δυνάμεις London Προέλευση των δυνάμεων London δ+ δ 10+ δ+ δ δ+ δ 10+ 10+ δ δ+ δ δ+ 10+ 10+ Ne Ne Ne Ne Ne Το ηλεκτρονικό νέφος του ατόμου μπορεί να παραμορφωθεί έτσι ώστε ένα μέρος του ατόμου να εμφανίζεται λιγάκι πιο αρνητικό απότουπόλοιποκαι κατά συνέπεια να διαθέτει κάποια διπολική ροπή (στιγμιαίο δίπολο). Αν το άτομο αυτό βρεθεί κοντά σε ένα δεύτερο άτομο Ne, τότε τα ηλεκτρόνια του 2ου ατόμου απωθούνται. ημιουργείται τότε ένα στιγμιαίοδίπολοεξ επαγωγής και εμφανίζεται μια ελκτική δύναμη ανάμεσά τους (δύναμη διασποράς). Ηκίνησητων ηλεκτρονίων στα άτομα έχει αλλάξει αλλά αυτό γίνεται ταυτόχρονα και στα δύο άτομα με αποτέλεσμα τη διατήρηση της ελκτικής δύναμης ανάμεσά τους. 17

υνάμεις διασποράς ή δυνάμεις London Οι δυνάμεις διασποράς είναι τόσο μεγαλύτερες όσο υψηλότερη είναι η πολωσιμότητα των ατόμων ή των μορίων. Πολωσιμότητα: η ευκολία με την οποία μπορεί να παραμορφωθεί ο εξωτερικός ηλεκτρονικός φλοιός του ατόμου ή μορίου. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός ηλεκτρονίων και όσο πιο διάχυτο είναι το ηλεκτρονικό νέφος στο άτομο (ήμόριο), τόσο μεγαλύτερη η πολωσιμότητά του. Μόρια μεγάλης μοριακής μάζας έχουν και υψηλή πολωσιμότητα. Μόρια συμπαγή και συμμετρικά πολώνονται λιγότερο από μόρια της ίδιας μοριακής μάζας, τα οποία όμως έχουν «διακλαδώσεις» και γενικά μικρότερη συμμετρία. Επειδή όλα τα μόρια διαθέτουν ηλεκτρόνια, οι δυνάμεις London είναι πανταχού παρούσες, δηλαδή εμφανίζονται σ όλαταμόρια, πολικά και μη. Οι διαφορές στην πολωσιμότητα, άρα και στην ισχύ των δυνάμεων London αντικατοπτρίζονται σε αρκετές φυσικές ιδιότητες των ουσιών. (π.χ. σ.ζ. και σ.τ.) 18

Άσκηση 6.3 Συσχετισμός διαμοριακών δυνάμεων και φυσικών ιδιοτήτων Ποιο από τα τρία πεντάνια (C 5 12 ) έχει το χαμηλότερο σημείο ζέσεως; 19

Άσκηση 6.3 Ενώσεις μη πολικές μόνο δυνάμεις London Τα τρία πεντάνια είναι ισομερή (ίδιος μοριακός τύπος, C 5 Η 12, ίδιο μοριακό βάρος) ιαφέρουν όμως στη διάταξη των ατόμων: το νεοπεντάνιο έχει την πιο συμπαγή διάταξη ατόμων οι δυνάμεις London μειώνονται σε ισχύ από το κανονικό πεντάνιο προς το νεοπεντάνιο. ηλαδή, τις ασθενέστερες διαμοριακές δυνάμεις έχουμε στο νεοπεντάνιο και άρα αυτό θα έχει το χαμηλότερο σημείο ζέσεως. Πειραματικές τιμές των σ.ζ.: κανονικό πεντάνιο 36,0 ο C, ισοπεντάνιο 27,9 ο C και νεοπεντάνιο 9,5 ο C. 20

εσμός υδρογόνου Σύγκριση ιδιοτήτων φθορομεθανίου, C 3 F, και μεθανόλης, C 3 O C 3 F : ΜΒ 34, μ = 1,81 D, σ.ζ. 78 ο C C 3 O : MB 32, μ = 1,70 D, σ.ζ. 65 ο C C 3 F C 3 O 21

εσμός υδρογόνου O C C C C O O O O νερό γλυκερόλη μεθανόλη Τι κοινό έχουν το νερό, η γλυκερόλη και η μεθανόλη; Αυτό που νερό, γλυκερόλη και μεθανόλη έχουν κοινό είναι μία ήπερισσότερεςομάδες ΟΗ. 22

Μόρια που έχουν την ομάδα ΟΗ υπόκεινται σε μια πρόσθετη ελκτική δύναμη που λέγεται δεσμός υδρογόνου. εσμός υδρογόνου είναι μια ασθενής έως μέτρια ελκτική δύναμη η οποία υπάρχει μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου συνδεδεμένου ομοιοπολικά με ένα πολύ ηλεκτραρνητικό άτομο, Χ, και ενός μονήρους ζεύγους ηλεκτρονίων ενός άλλου μικρού, ηλεκτραρνητικού ατόμου, Υ. Ο δεσμός υδρογόνου παριστάνεται με τρεις κουκίδες ανάμεσα στα άτομα Η και Υ. Χ Η Υ (Χ, Υ = F, O, N) Π.χ. O... O εσμός υδρογόνου N... N O... N 23

Σημείο ζέσεως έναντι μοριακού βάρους υδριδίων 100 Η 2 Ο Σημείο ζέσεως ( ο C) 0 100 F NΗ 3 PΗ 3 Η 2 S Cl Η 2 Se AsΗ 3 Br GeΗ 4 Η 2 Te SbΗ 3 I SnΗ 4 SiΗ 4 200 CΗ 4 Περίοδος 2 3 4 5 24

Οι δεσμοί υδρογόνου στο νερό O εσμοί υδρογόνου.. O... O Κάθε δεσμός υδρογόνου παριστάνεται από τρεις κουκίδες Μονήρες ΗΖ Τα ηλεκτρόνια των δεσμών Ο Η σταμόριαη 2 Ο έλκονται από τα άτομα οξυγόνου, αφήνοντας τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια εκτεθειμένα. Έτσι, κάθε πρωτόνιο ενός μορίου Η 2 Ο έλκεται από ένα μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων ενός ατόμου Ο που ανήκει σε γειτονικό μόριο νερού. 25

... Οι δεσμοί υδρογόνου στο F Γιατί το F έχει σχετικά πολύ υψηλό σημείο ζέσεως Στο στερεό F, τα μόρια F δεν υφίστανται ως μεμονωμένες μονάδες, αλλά ενώνονται το ένα με το άλλο σχηματίζοντας μεγάλου μήκους αλυσίδες ζιγκ-ζαγκ.... F...F...... F... F... F F F Στην υγρή φάση έχουμε θραύση των αλυσίδων αυτών, όμως τα μόρια F εξακολουθούν να συνδέονται μεταξύ τους μέσω δεσμών υδρογόνου. Επειδή είναι δύσκολο να διαχωρίσουμε τέτοια συγκροτήματα μορίων (F) n, το υγρό F ζέει σε απροσδόκητα υψηλή θερμοκρασία (19,5 ο C), ενώ χωρίς τους δεσμούς υδρογόνου το υγρό F θα είχε κανονικό 26 σημείο ζέσεως χαμηλότερο από 100 ο C!!!

Γιατί ο πάγος επιπλέει πάνω στο νερό δεσμός Η κενός χώρος Κάθε άτομο Ο συνδέεται με 4 άτομα Η. Οι κενοί χώροι που παρουσιάζει η δομή του πάγου είναι η αιτία για τη μικρότερη πυκνότητα του πάγου σε σχέση με το νερό. = Ο = Η 27

εσμοί υδρογόνου μεταξύ δύο βιολογικά σημαντικών μορίων (γουανίνη και κυτοσίνη) εσμός Η Μοντέλο φτιαγμένο από υπολογιστή που δείχνει τη σύνδεση μέσω δεσμών υδρογόνου δύο βιολογικά πολύ σημαντικών μορίων. Πρόκειται για τη γουανίνη και την κυτοσίνη, δύο από τις τέσσερις βάσεις που χρησιμοποιούνται ως κώδικες στο DNA. 28

Άσκηση 6.4 εσμός υδρογόνου και φυσικές ιδιότητες ουσιών Η αιθυλενογλυκόλη (CΗ 2 ΟΗCΗ 2 ΟΗ) είναι ένα ελαφρά ιξώδες υγρό που βράζει στους 198 ο C. Το πεντάνιο (C 5 Η 12 ), το οποίο έχει περίπου το ίδιο μοριακό βάρος με την αιθυλενογλυκόλη, είναι ένα μη ιξώδες υγρό που βράζει στους 36 ο C. Εξηγήστε τις διαφορές στα φυσικά χαρακτηριστικά των δύο αυτών ενώσεων. Παραπλήσιο Μ.Β. περίπου ίδιας ισχύος δυνάμεις London. Όμως, τα μόρια της αιθυλενογλυκόλης είναι σε θέση, λόγω των ομάδων ΟΗ, να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου μεταξύ τους, ενώ τα μόρια του πεντανίου όχι. Επίσης, στην αιθυλενογλυκόλη έχουμε και δυνάμεις διπόλουδιπόλου. Οι ισχυρότερες διαμοριακές δυνάμεις που έχουμε στην αιθυλενογλυκόλη αντικατοπτρίζονται στη μεγαλύτερη αντίσταση στη ροή (ιξώδες) και στο υψηλότερο σ.ζ. 29