Forțe intermoleculare

Figura 10.1 Dioxidul de carbon solid („gheață carbonică”) se sublimează viguros atunci când este plasat într-un lichid, răcind lichidul și generând o ceață densă de apă deasupra cilindrului. (Credit: 6091236/Pixabay)

Lepra a fost o boală devastatoare de-a lungul întregii istorii a omenirii. Pe lângă simptomele și complicațiile bolii, stigmatizarea socială a determinat suferinzii să fie alungați din comunități și izolați în colonii; în unele regiuni această practică a durat până în secolul al XX-lea. La acea vreme, cel mai bun tratament potențial pentru lepră era uleiul din arborele Chaulmoogra, dar uleiul era extrem de gros, provocând vezicule și făcând utilizarea dureroasă și ineficientă. Profesioniștii din domeniul sănătății care căutau o aplicație mai bună au contactat-o pe Alice Ball, o tânără chimistă de la Universitatea din Hawaii, care și-a concentrat teza de master pe o plantă similară. Ball a inițiat o secvență de proceduri (acidificare și purificare repetată pentru a modifica caracteristicile uleiului și a izola substanțele active (esteri). „Metoda cu bile”, așa cum a ajuns să fie numită mai târziu, a devenit tratamentul standard. pentru lepră de zeci de ani.În starea lichidă și solidă, interacțiunile atomice și moleculare au o putere considerabilă și joacă un rol important în determinarea unui număr de proprietăți fizice ale substanței. De exemplu, grosimea sau vâscozitatea uleiului de chaulmoogra este determinat de forțele sale intermoleculare.

Ca și în cazul substanțelor gazoase, teoria cinetică moleculară poate fi folosită pentru a explica comportamentul solidelor și lichidelor. În descrierea următoare, termenul particulă va fi utilizat pentru a se referi la un atom, moleculă sau ion. Rețineți că vom folosi expresia populară „atracție intermoleculară” pentru a ne referi la forțele atractive dintre particulele unei substanțe, indiferent dacă aceste particule sunt molecule, atomi sau ioni.

Luați în considerare aceste două aspecte ale mediilor la nivel molecular din materia solidă, lichidă și gazoasă:

Particulele dintr-un solid sunt strâns împachetate împreună și adesea aranjate într-un model regulat; într-un lichid, sunt apropiate, fără aranjament regulat; într-un gaz, sunt departe unul de celălalt, fără aranjament regulat.
Particulele dintr-un solid vibrează în jurul pozițiilor fixe și, în general, nu se mișcă una în raport cu cealaltă; într-un lichid, trec una pe lângă cealaltă, dar rămân în contact esențial constant; într-un gaz, se mișcă independent una de cealaltă, cu excepția cazului în care se ciocnesc.

Diferențele dintre proprietățile unui solid, lichid sau gaz reflectă puterile forțelor atractive dintre atomii, moleculele sau ionii care alcătuiesc fiecare fază. Faza în care există o substanță depinde de amploarea relativă a forțelor intermoleculare (IMF) și de energiile cinetice (KE) ale moleculelor sale. IMF-urile sunt diferitele forțe de atracție care pot exista între atomii și moleculele unei substanțe din cauza fenomenelor electrostatice. Aceste forțe servesc la menținerea particulelor apropiate, în timp ce KE-ul particulelor furnizează energia necesară pentru a depăși forțele de atractivitate și astfel crește distanța dintre particule. Figura 10.2 ilustrează modul în care modificările stării fizice pot fi induse prin modificarea temperaturii, deci, KE medie, a unei substanțe date.

Figura 10.2 Tranzițiile între stările solide, lichide și gazoase ale unei substanțe apar atunci când condițiile de temperatură sau presiune favorizează modificările asociate ale forțelor intermoleculare. (Notă: spațiul dintre particule în faza gazoasă este mult mai mare decât este prezentat.)

Ca exemplu de procese descrise în această figură, luați în considerare o probă de apă. Când apa gazoasă este suficient de răcită, atracțiile dintre moleculele de H₂O vor fi capabile să le țină împreună atunci când intră în contact unele cu altele; gazul se condensează, formând H₂O lichid. De exemplu, apa lichidă se formează pe exteriorul unui pahar rece, deoarece vaporii de apă din aer sunt răciți de sticla rece, așa cum se vede în Figura 10.3.

Figura 10.3 Condensul se formează atunci când vaporii de apă din aer sunt suficient de răciți pentru a forma apă lichidă, cum ar fi (a) pe un geam rece rece sau (b) sub formă de ceață. (credit a: Pexels/Pixabay; credit b: Walkerssk/Pixabay)

De asemenea, putem lichefia multe gaze prin comprimarea lor, dacă temperatura nu este prea mare. Presiunea crescută apropie moleculele unui gaz, astfel încât atracțiile dintre molecule devin puternice în raport cu KE-ul lor. În consecință, ele formează lichide. Butanul, C₄H₁₀, este combustibilul folosit la brichetele de unică folosință și este un gaz la temperatură și presiune standard. În interiorul compartimentului de combustibil al brichetei, butanul este comprimat la o presiune care duce la condensarea lui în stare lichidă, așa cum se arată în Figura 10.4.

Figura 10.4 Butanul gazos este comprimat în compartimentul de depozitare al unei brichete de unică folosință, rezultând condensarea acestuia în stare lichidă. (Credit: 5598375/Pixabay)

În cele din urmă, dacă temperatura unui lichid devine suficient de scăzută, sau presiunea asupra lichidului devine suficient de mare, moleculele lichidului nu mai au suficient KE pentru a depăși IMF dintre ele și se formează un solid.