În condiții adecvate, atracțiile dintre toate moleculele de gaz le vor determina să formeze lichide sau solide. Acest lucru se datorează forțelor intermoleculare, nu forțelor intramoleculare. Forțele intramoleculare sunt cele din interiorul moleculei care țin molecula împreună, de exemplu, legăturile dintre atomi. Forțele intermoleculare sunt atracțiile dintre molecule, care determină multe dintre proprietățile fizice ale unei substanțe. Figura 10.5 ilustrează aceste forțe moleculare diferite. Puterile acestor forțe atractive variază foarte mult, deși, de obicei, forțele intermoleculare dintre moleculele mici sunt slabe în comparație cu forțele intramoleculare care leagă atomii împreună într-o moleculă. De exemplu, pentru a depăși forțele intermoleculare dintr-un mol de HCl lichid și a-l transforma în HCl gazos necesită doar aproximativ 17 kilojuli. Cu toate acestea, pentru a rupe legăturile covalente dintre atomii de hidrogen și clor dintr-un mol de HCl este nevoie de aproximativ 25 de ori mai multă energie – 430 kilojuli.
Figura 10.5 Forțele intramoleculare mențin o moleculă intactă. Forțele intermoleculare țin mai multe molecule împreună și determină multe dintre proprietățile unei substanțe.
Toate forțele atractive dintre atomii și moleculele neutre sunt cunoscute sub denumirea de forțe van der Waals, deși de obicei sunt denumite mai informal atracție intermoleculară. Vom lua în considerare diferitele tipuri de FMI în următoarele trei secțiuni ale acestui modul.
Forțele de dispersie
Una dintre cele trei forțe van der Waals este prezentă în toate fazele condensate, indiferent de natura atomilor sau moleculelor care compun substanța. Această forță atractivă este numită forța de dispersie London în onoarea fizicianului american de origine germană Fritz London, care, în 1928, a explicat-o pentru prima dată. Această forță este adesea denumită pur și simplu forța de dispersie. Deoarece electronii unui atom sau ai unei molecule sunt în mișcare constantă (sau, alternativ, locația electronului este supusă variabilității mecanice cuantice), în orice moment, un atom sau o moleculă poate dezvolta un dipol temporar, instantaneu dacă electronii săi sunt distribuiți asimetric. Prezența acestui dipol poate, la rândul său, distorsiona electronii unui atom sau moleculă vecină, producând un dipol indus. Acești doi dipoli temporari, fluctuanți rapid, au ca rezultat o atracție electrostatică relativ slabă între specii – o așa-numită forță de dispersie precum cea ilustrată în Figura 10.6.
Figura 10.6 Forțele de dispersie rezultă din formarea de dipoli temporari, așa cum este ilustrat aici pentru două molecule biatomice nepolare.
Forțele de dispersie care se dezvoltă între atomi în molecule diferite pot atrage cele două molecule una pe alta. Forțele sunt însă relativ slabe și devin semnificative doar atunci când moleculele sunt foarte apropiate. Atomii și moleculele mai mari și mai grele prezintă forțe de dispersie mai puternice decât atomii și moleculele mai mici și mai ușoare. F2 și Cl2 sunt gaze la temperatura camerei (reflectând forțe de atracție mai slabe); Br2 este un lichid, iar I2 este un solid (reflectând forțe de atracție mai puternice). Tendințe ale punctelor de topire și fierbere observate pentru halogeni demonstrează clar acest efect, așa cum se vede în Tabelul 10.1.
Tabelul 10.1 Punctele de topire și de fierbere ale halogenilor
| Halogen | Masa molară | Raza atomică | Punctul de tipire | Punctul de fierbere |
|---|---|---|---|---|
| fluor, F2 | 38 g/mol | 72 pm | 53 K | 85 K |
| chlor, Cl2 | 71 g/mol | 99 pm | 172 K | 238 K |
| brom, Br2 | 160 g/mol | 114 pm | 266 K | 332 K |
| iod, I2 | 254 g/mol | 133 pm | 387 K | 457 K |
| astatin, At2 | 420 g/mol | 150 pm | 575 K | 610 K |
Creșterea punctelor de topire și de fierbere odată cu creșterea dimensiunii atomice/moleculare poate fi raționalizată luând în considerare modul în care puterea forțelor de dispersie este afectată de structura electronică a atomilor sau moleculelor din substanță . Într-un atom mai mare, electronii de valență sunt, în medie, mai departe de nuclee decât într-un atom mai mic. Astfel, ele sunt mai puțin strânse și pot forma mai ușor dipolii temporari care produc atracția. Măsura a cât de ușor sau dificil este pentru o altă sarcină electrostatică (de exemplu, un ion din apropiere sau o moleculă polară) să distorsioneze distribuția sarcinii unei molecule (norul său de electroni) este cunoscută sub numele de polarizabilitate. Se spune că o moleculă care are un nor de sarcină care este ușor distorsionat este foarte polarizabilă și va avea forțe mari de dispersie; una cu un nor de încărcare greu de distorsionat nu este foarte polarizabilă și va avea forțe de dispersie mici.
| Exemplul 10.1
Forțele London și efectele lor Ordonați următorii compuși ai unui element din grupa 14 cu hidrogenul de la cel mai mic la cel mai ridicat punct de fierbere: CH4, SiH4, GeH4 și SnH4. Explicați raționamentul. Soluţie Aplicând abilitățile dobândite în capitolul despre legarea chimică și geometria moleculară, toți acești compuși sunt prevăzuți a fi nepolari, deci pot experimenta doar forțe de dispersie: cu cât molecula este mai mică, cu atât sunt mai puțin polarizabili și cu atât forțele de dispersie sunt mai slabe; cu cât molecula este mai mare, cu atât forțele de dispersie sunt mai mari. Masele molare ale CH4, SiH4, GeH4 și SnH4 sunt de aproximativ 16 g/mol, 32 g/mol, 77 g/mol și, respectiv, 123 g/mol. Prin urmare, se așteaptă ca CH4 să aibă cel mai scăzut punct de fierbere și SnH4 cel mai înalt punct de fierbere. Se așteaptă ca ordonarea de la cel mai mic la cel mai ridicat punct de fierbere să fie CH4 < SiH4 < GeH4 < SnH4. Un grafic al punctelor de fierbere reale ale acestor compuși față de perioada elementului din grupa 14 arată că această predicție este corectă:
Exercițiu Ordonați următoarele hidrocarburi de la cel mai mic la cel mai ridicat punct de fierbere: C2H6, C3H8 și C4H10. |
Formele moleculelor afectează, de asemenea, mărimile forțelor de dispersie dintre ele. De exemplu, punctele de fierbere pentru izomerii n-pentan, izopentan și neopentan (prezentați în Figura 10.7) sunt 36 °C, 27 °C și, respectiv, 9,5 °C. Chiar dacă acești compuși sunt compuși din molecule cu aceeași formulă chimică, C5H12, diferența de puncte de fierbere sugerează că forțele de dispersie în faza lichidă sunt diferite, fiind mai mari pentru n-pentan și mai mici pentru neopentan. Forma alungită a n-pentanului oferă o suprafață mai mare disponibilă pentru contactul dintre molecule, rezultând în mod corespunzător forțe de dispersie mai puternice. Forma mai compactă a izopentanului oferă o suprafață mai mică disponibilă pentru contactul intermolecular și, prin urmare, forțe de dispersie mai slabe. Moleculele de neopentan sunt cele mai compacte dintre cele trei, oferind cea mai mică suprafață disponibilă pentru contactul intermolecular și, prin urmare, cele mai slabe forțe de dispersie. Acest comportament este analog cu conexiunile care se pot forma între benzile de fixare marca VELCRO: cu cât zona de contact a benzii este mai mare, cu atât conexiunea este mai puternică.
Figura 10.7 Valoarea forțelor de dispersie crește odată cu aria de contact dintre molecule, așa cum este demonstrat de punctele de fierbere ale acestor izomeri pentan.
Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2024 MultiMedia Publishing
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1
Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult
Fizica atomică și nucleară fenomenologică
Cartea abordează bazele fenomenlogice din fizica atomică, fizica nucleară, radioactivitatea, fizica particulelor, fisiunea, fuziunea și energia nucleară. Conținutul oferă o perspectivă modernă a domeniului, simultan cu o retrospectivă istorică a dezvoltării sale. Fiecare capitol pune accent pe explicațiile fizice ale … Citeşte mai mult
Materia: Solide, Lichide, Gaze, Plasma – Fenomenologie
O perspectivă contemporană asupra materiei, care ia în considerare toate entităţile ştiinţifice observabile, cu accent pe fenomene. În principiu, definiţia materiei se limitează la astfel de entităţi explorate de fizică. În funcţie de condiţiile termodinamice diferite, cum ar fi temperatura … Citeşte mai mult
Lasă un răspuns