Tarpmolekulinių jungčių klausimų pavyzdžiai ir aptarimas
Tarpmolekuliniai ryšiai yra labai svarbi chemijos tema, ypač norint suprasti medžiagų fizikines ir chemines savybes. Tarpmolekuliniai ryšiai apima Londono dispersijos jėgas, dipolio-dipolio jėgas ir vandenilinius ryšius. Išsamus kiekvieno iš šių ryšių tipų ir jų sąveikos supratimas yra labai svarbus norint numatyti medžiagų elgseną įvairiomis sąlygomis. Šiame straipsnyje bus aptarti keli pavyzdiniai uždaviniai ir jų sprendimai, siekiant paaiškinti šią koncepciją.
1. Londono stilius (dispersijos jėgos)
Londono jėgos yra silpniausias van der Valso jėgų tipas. Jos atsiranda dėl laikinų dipolių sąveikos, kurie susidaro, kai elektronų pasiskirstymas molekulės elektronų debesyje trumpam tampa netolygus.
1 klausimo pavyzdys:
Klausimas:
Dvi nepolinės molekulės, tarkime, He ir Ne, tarp jų veikia Londono jėgos. Atsižvelgiant į tai, kad Ne yra didesnis nei He, paaiškinkite, kurioje iš jų Londono jėgos yra stipresnės ir kodėl?
Diskusija:
Londono jėgos tampa reikšmingesnės didėjant elektronų skaičiui molekulėje, nes tai padidina poliarizuotumą. Neonas (Ne) turi daugiau elektronų (10) nei helis (He), kuris turi tik 2 elektronus. Todėl Ne molekulės turi didesnį elektronų debesį ir yra lengviau poliarizuojamos nei He. Dėl to Londono jėgos tarp Ne molekulių bus stipresnės nei tarp He molekulių.
2. Dipolio-dipolio jėga
Dipolio-dipolio jėgos atsiranda tarp polinių molekulių, kai vienos molekulės dalinis teigiamas krūvis sąveikauja su kitos molekulės daliniu neigiamu krūviu.
2 klausimo pavyzdys:
Klausimas:
Dvi polinės molekulės, HCl ir HF, veikia dipolio-dipolio jėgas. Kurioje HCl ir HF yra stipresnės dipolio-dipolio jėgos ir kodėl?
Diskusija:
HF molekulės turi stipresnes dipolio-dipolio jėgas nei HCl. Taip yra todėl, kad fluoro (F) elektronegatyvumas yra labai didelis, o elektronegatyvumo skirtumas tarp H ir F yra didesnis nei tarp H ir Cl. Dėl to HF molekulėje susidaro stipresnis dipolis nei HCl. Todėl dipolio-dipolio jėgos tarp HF molekulių yra stipresnės nei tarp HCl.
3. Vandeniliniai ryšiai
Vandenilinis ryšys yra ypatingas dipolio-dipolio jėgos tipas ir atsiranda, kai vandenilio atomas, kovalentiškai sujungtas su labai elektroneigiamu atomu (pvz., F, O arba N), sąveikauja su vieniša elektronų pora ant kito labai elektroneigiamo atomo.
3 klausimo pavyzdys:
Klausimas:
Apsvarstykite šias tris medžiagas: vandenį (H₂O), metanolį (CH₃OH) ir etanolį (C₂H₅OH). Nustatykite, kuri iš jų turi stipriausią vandenilinį ryšį ir kodėl?
Diskusija:
Visos paminėtos medžiagos gali sudaryti vandenilinius ryšius, nes jose yra –OH grupių. Tačiau vandenilinio ryšio stiprumas priklauso ne tik nuo –OH grupės buvimo, bet ir nuo vietų, galinčių sudaryti vandenilinius ryšius, skaičiaus ir vietos.
– Vanduo (H₂O) gali sudaryti keturis vandenilinius ryšius (du kaip donorus per H atomą ir du kaip akceptorius per vienišą elektronų porą prie O).
– Metanolis (CH₃OH) ir etanolis (C₂H₅OH) gali sudaryti po du vandenilinius ryšius (vieną kaip donorinį per H ir vieną kaip akceptorių per vienišą porą prie O).
Taigi, vanduo (H₂O) turi potencialą sudaryti daugiausiai vandenilinių jungčių ir todėl turi stipriausias vandenilines jungtis.
4. Londono pajėgų ir dipolio-dipolio pajėgų derinys
Tam tikrose medžiagose gali pasireikšti Londono ir dipolio-dipolio jėgų derinys, kuris gali prisidėti prie bendro tarpmolekulinių sąveikų stiprumo.
4 klausimo pavyzdys:
Klausimas:
Palyginkite chloroformo (CHCl₃) ir anglies tetrachlorido (CCl₄) virimo temperatūras ir paaiškinkite Londono bei dipolio-dipolio jėgų vaidmenį šioje temperatūroje.
Diskusija:
– Chloroformas (CHCl₃) yra polinė molekulė su pilnu dipolio momentu dėl asimetrinio elektronų pasiskirstymo H atomų atžvilgiu.
– Anglies tetrachloridas (CCl₄) yra nepolinė molekulė dėl simetriško elektronų pasiskirstymo, nepaisant to, kad turi labai elektroneigiamą Cl atomą.
CHCl₃ molekulėje dipolio-dipolio jėgos bus stiprios dėl molekulės poliškumo, o Londono jėgos bus reikšmingos abiejose molekulėse, net jei CCl₄ yra šiek tiek didesnis ir gali turėti labiau poliarizuojamą elektronų debesį.
Tačiau Londono ir dipolio-dipolio jėgų derinys CHCl₃ junginyje lemia aukštesnę virimo temperatūrą nei CCl₄, net jei jų molekulinės masės yra panašios.
5. Jonų ir dipolių sąveika
Jonų ir dipolių sąveika yra svarbi tirpinant druskas poliniuose tirpikliuose, tokiuose kaip vanduo. Šiame skyriuje pabrėžiama jonų krūvio ir tirpiklio molekulės dipolių artumo svarba.
5 klausimo pavyzdys:
Klausimas:
Kodėl druskos, tokios kaip natrio chloridas (NaCl), lengvai tirpsta vandenyje?
Diskusija:
Natrio chloridas sudarytas iš Na⁺ ir Cl⁻ jonų. Vanduo (H₂O) yra polinė molekulė, turinti dalinį neigiamą deguonies ir teigiamą vandenilio krūvį. Kai NaCl ištirpsta vandenyje, Na⁺ jonai sąveikauja su vandens molekulės deguonies galu, o Cl⁻ jonai – su vandenilio galu. Šios jonų ir dipolių sąveikos yra pakankamai stiprios, kad įveiktų jonines jėgas NaCl kristale, leisdamos druskai disociuotis ir ištirpti.
Uždarymas
Įvairių tarpmolekulinių ryšių tipų, tokių kaip Londono jėgos, dipolio-dipolio sąveika, vandeniliniai ryšiai ir jono-dipolio sąveika, supratimas yra labai svarbus norint numatyti ir paaiškinti medžiagų fizikines ir chemines savybes. Tikimės, kad šiame straipsnyje pateikti pavyzdžiai ir diskusijos suteiks aiškesnį vaizdą ir sustiprins pagrindines tarpmolekulinių ryšių sąvokas. Šios žinios yra aktualios ne tik teoriniame moksle, bet ir praktiniame pritaikyme, pavyzdžiui, medžiagų inžinerijoje, farmacijoje ir aplinkos moksle.
