نیروهای بین مولکولی در شیمی — به زبان ساده

خواص مایعات، خواصی بینابین گازها و جامدات هستند اما بیشتر به مواد جامد شباهت دارند. برخلاف «نیروهای درون‌مولکولی» (Intramolecular Forces) همچون پیوندهای کووالانسی که اتم‌ها را در مولکول‌ها و یون‌های اتمی کنار هم نگاه می‌دارد، نیروهای بین مولکولی موجب قرارگیری مولکول‌‌های جامد یا مایع در کنار یکدیگر می‌شوند. در حالت کلی، نیروهای بین مولکولی بسیار ضعیف‌تر از پیوندهای کووالانسی هستند. به طور مثال، برای غلبه بر نیروهای درون‌مولکولی آب و شکستن پیوندهای $$-OH$$ در یک مول آب، به 927 کیلوژول انرژی نیاز داریم. این درحالیست که برای غلبه بر نیروهای بین مولکولی آب و تبدیل ۱ مول از آن به بخار آب، تنها به 41 کیلوژول انرژی نیاز داریم. به دلیل همین اختلاف انرژی زیاد است که تغییر حالت مواد و تبدیل آن‌ها به جامد، مایع یا گاز، تغییری در پیوندهای کووالانسی ایجاد نمی‌کند.

مقدمه

نیروهای بین مولکولی، خواصی همچون نقطه ذوب جامدات و نقطه جوش مایعات را تعیین می‌کنند. به عبارت دیگر، یک مایع زمانی تبخیر می‌شود که مولکول‌های آن، انرژی کافی برای غلبه بر نیروهای جاذبه بین مولکولی داشته باشند، زیرا این نوع از نیروها هستند که مولکول‌ها را در کنار یکدیگر نگه‌ داشته‌اند. به طور مشابه، جامدات زمانی ذوب می‌شوند که مولکول‌ها به اندازه کافی انرژی گرمایی جذب و بتوانند بر نیروهای بین مولکولی جامد غلبه کنند.

فیلم آموزش شیمی عمومی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

نیروهای بین مولکلولی در طبیعت، نوعی نیروی الکترواستاتیک هستند که در اثر برهم‌کنش بین ذرات با بار مثبت و منفی بوجود می‌آیند. همچون پیوندهای یونی و کووالانسی، برهم‌کنش‌های بین مولکولی نیز مجموع نیروهای جاذبه و دافعه را تشکیل می‌دهند. نیروهای بین مولکولی در جامدات و مایعات اهمیت بیشتری دارند چراکه برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک، به سرعت با افزایش فاصله بین مولکول‌ها، کاهش می‌یابند. تنها در فشارهای بالا، نیروهای بین مولکولی در گازها اهمیت پیدا می‌کنند و در این حالت است که انحرافی از قانون گازهای ایده‌آل پیش می‌آید. در این آموزش، سه نوع از برهم‌کنش‌های بین مولکولی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

لازم به ذکر است «فایل PDF پیوندهای شیمیایی»‌ (تقلب‌نامه پیوندهای شیمیایی) را نیز می‌توانید به طور جداگانه دانلود و مطالعه کنید. این تقلب‌نامه شامل تعریف انواع پیوندهای شیمیایی همچون پیوندهای یونی و کووالانسی است. همچنین، نیروهای بین مولکولی و پیوندهای هیدروژنی و فلزی نیز به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

برهم‌کنش‌های دوقطبی دوقطبی

پیوندهای کووالانسی به گونه‌ای عمل می‌کنند که گویی اتم‌هایی که در پیوند شرکت‌ کرده‌اند، دارای بار جزئی برابر، اما مخالف هم هستند. این امر بدان معنی است که دو اتم پیوندی، یک «دوقطبی» (Dipole) ایجاد می‌کنند. اگر ساختار مولکول به گونه‌ای باشد که پیوندهای دوقطبی، هرکدام یکدیگر را خنثی نکنند،‌ مولکول دارای ممان دوقطبی خالص خواهد شد. مولکول‌هایی که بدین شکل هستند، سعی می‌کنند جهت‌گیری خود را به گونه‌ای تنظیم کنند که سر مثبت یک دوقطبی، در نزدیکی سر منفی دو قطبی دیگر باشد. در تصویر زیر، این جهت‌گیری‌ها به خوبی نشان داده شده‌اند:

قرارگیری مولکول‌هایی که به حالت جاذبه قرار دارند،‌ حالت پایدارتری نسبت به حالت دافعه بدست می‌دهند. با توجه به اینکه مولکول‌ها در یک مایع، آزادانه و به طور پیوسته حرکت می‌کنند، همواره شامل برهم‌کنش‌های بین مولکولی دوقطبی-دوقطبی جاذب و دافع هستند. این دو حالتِ همزمان را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید:

قدرت برهم‌کنش‌های دوقطبی دوقطبی

از آن‌جایی که هر سر دوقطبی، تنها دارای بار جزئی مثبت یا منفی است،‌ قدرت برهم‌کنش‌های دوقطبی-دوقطبی، بسیار کمتر از برهم‌کنش‌های بین دو یون ذکر می‌شود چراکه یون‌ها دارای بار $$\pm 1$$ هستند. همچنین، برهم‌کنش‌های دوقطبی-دوقطبی، از برهم‌کنش‌های یون-دوقطبی نیز قدرت کمتری دارند چراکه در این شرایط، یکی از ذره‌ها، به طور کامل شامل بار مثبت یا منفی است. علاوه بر این، در مقایسه با برهم‌کنش‌های یون-یون،‌ نیروهای جاذبه در برهم‌کنش‌های دوقطبی-دوقطبی، با افزایش فاصله، به سرعت از بین می‌روند.

ارتباط فاصله و قدرت نیروهای بین مولکولی

لازم به ذکر است که انرژی بین دو یون با فاصله بین یون‌ها $$(r)$$، به صورت $$(\frac{1}{r})$$ متناسب است که یعنی، افزایش فاصله به $$2r$$، انرژی جاذبه را به نصف کاهش می‌دهد. در مقابل، انرژی جاذبه بین دو دوقطبی، با نسبت $$\frac{1}{r^3}$$ تغییر می‌کند. در نتیجه، دو برابر کردن فاصله بین دوقطبی‌ها، قدرت جاذبه بین آن‌ها را تا ۸ برابر $$(2^3)$$ کاهش می‌دهد. بنابراین، ماده‌ای همچون $$HCl$$ که نیروهای غالب در آن، از نوع دوقطبی-دوقطبی است، در دمای اتاق و فشار ۱ اتمسفر، به حالت گاز قرار دارد، درحالیکه $$NaCl$$ که نیروهای بین‌یونی در آن حضور دارند، جامدی با نقطه جوش بالا است. در بین ترکیبات با جرم مولی مشابه، قدرت نیروهای بین مولکولی با افزایش ممان دوقطبی مولکول، افزایش می‌یابد که این مورد در جدول زیر دیده می‌شود:‌

مثال

مولکول‌های اتیل متیل اتر $$\left( \mathrm { CH } _ { 3 } \mathrm { OCH } _ { 2 } \mathrm { CH } _ { 3 } \right)$$، استون $$\left( \mathrm { CH } _ { 3 } \mathrm { COCH } _ { 3 } \right)$$ و ۲-متیل پروپان $$(\left.mathrm { (CH } _ { 3 } \right) _ { 2 } \mathrm { CHCH } _ { 3 })$$ را به ترتیب افزایش نقطه جوش مرتب کنید. شکل این مولکول‌ها نیز در تصویر زیر آورده شده‌اند:

حل: برای حل این سوال باید جرم‌های مولی و قطبیت ترکیب‌ها را با یکدیگر مقایسه کنیم. ترکیبات قطبی با جرم مولی بیشتر، بالاترین نقطه جوش را دارند.

هر سه ترکیب بالا، جرم‌های مولی تقریبا برابری دارند $$(58-60 g/mol)$$. در نتیجه، برای پیش‌بینی قدرت نیروهای بین مولکولی در برهم‌کنش‌های دوقطبی-دوقطبی، باید به بررسی اختلاف قطبیت این مواد بپردازیم تا به کمک آن، این مواد را بر اساس نقطه جوش مرتب کنیم.

• اولین ترکیب، یعنی ۲-متیل پروپان، تنها پیوندهای $$C-H$$ دارد که قطبیت شدیدی ندارند زیرا کربن و هیدروژن دارای الکترونگاتیوی یکسانی هستند. در نتیجه این ترکیب باید ممان دوقطبی ناچیز و نقطه جوش پایینی داشته باشد.
• اتیل متیل اتر، ساختاری همچون مولکول آب دارد. این ترکیب شامل دو پیوند یگانه قطبی $$C-O$$ است که با زاویه بین‌پیوندی 109 درجه در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، در مولکول اتیل متیل اتر، پیوندهای ناقطبی $$C-H$$ نیز قرار دارند. در نتیجه، دوقطبی‌های کربن-اکسیژن به طور جزئی یکدیگر را تقویت و ممان دوقطبی قابل توجهی ایجاد می‌کند که حاصل آن، بوجود آمدن نقطه جوش بالا است.
• استون، پیوند دوگانه قطبی کربن-اکسیژن با زاویه بین پیوندی 120 درجه دارد که به دو گروه متیل با پیوندهای ناقطبی کربن-هیدروژن متصل است. در نتیجه، دوقطبی پیوند کربن-اکسیژن، دوقطبی مولکولی را بوجود می‌آورد که باید ممان دوقطبی و نقطه جوش بالایی را بدست دهد. در نتیجه، مولکول‌ها را می‌توان به صورت زیر، بر اساس ترتیب نقطه جوش مرتب کرد:

استون> اتیل متیل اتر > ۲-متیل پروپان

نیروهای پراکندگی لاندن

تا اینجا، تنها برهم‌کنش بین مولکول‌های قطبی را بررسی کردیم، اما عوامل دیگری را نیز باید در نظر بگیریم. این عوامل به ما توضیح می‌دهند که چرا برخی مولکول‌های ناقطبی همچون برم، بنزن و هگزان، در دمای اتاق به حالت مایع و ید و نفتالین به حالت جامد قرار دارند. حتی می‌توان گازهای نجیب را هم در دما پایین و فشار بالا، به شکل جامد یا مایع تبدیل کرد.

فیلم آموزش شیمی 3 – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

به نظر شما، چه نوع از نیروهای بین مولکولی بین مولکول‌های ناقطبی حاکم است؟ به این سوال، فیزیکدان آلمانی، «فریتز لاندن» (Fritz London) پاسخ داد. او در سال ۱۹۳۰ بیان کرد که نوسان‌های کوتاه مدت در توزیع الکترون‌ها بین اتم‌ها و مولکول‌های ناقطبی، می‌توانند به تشکیل ممان‌های دوقطبی با عمر کوتاه منجر شوند، که نیروهای جاذبه موسوم به «نیروهای پراکندگی لاندن» (London Dispersion Forces) را بین مواد ناقطبی می‌سازند.

تشکیل دوقطبی القایی

به طور مثال، یک جفت اتم هلیوم را در مجاورت هم بررسی کنید. به طور متوسط، دو الکترون در هر اتم هلیوم به شکل یکنواختی در اطراف هسته اتم توزیع شده‌اند. با توجه به اینکه الکترون‌ها، حرکت ثابتی دارند، توزیع لحظه‌ای آن‌ها در یک اتم، به شکلی نامتقارن است و ممان دوقطبی خودزا ایجاد می‌کند. همانطور که در تصویر زیر می‌بینید، ممان دوقطبی خودزا در یک اتم می تواند با الکترون‌ها در اتم مقابل، برهم‌کنش انجام دهد. در اثر این برهم‌کنش، دو اتم در اثر جاذبه و دافعه ایجاد شده، به طرف یکدیگر جذب یا از هم دفع می‌شوند. اثر کلی به اینصورت است که اتم اول موجب ایجاد یک دوقطبی موقت موسوم به «دوقطبی القایی» (Induced Dipole) در اتم دوم خواهد شد. برهم‌کنش‌ها بین این دوقطبی‌های موقت، سبب جذب اتم‌ها به یکدیگر می‌شوند.

همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد، این برهم‌کنش‌ها از نوع ضعیف هستند و با افزایش فاصله، به سرعت کاهش پیدا می‌کنند. لاندن به کمک مکانیک کوانتومی نشان داد که انرژی جاذبه‌ای که بر اثر برهم‌کنش‌های موقت دوقطبی-دوقطبی القایی بوجود آمده‌اند با افزایش فاصله، به صورت $$\frac{1}{r^6}$$ کاهش می‌یابند. در نتیجه، افزایش دو برابری فاصله، کاهش 64 برابری این انرژی را به همراه خواهد داشت.

برهم‌کنش دوقطبی در مولکول ناقطبی

برهم‌کنش‌های دوقطبی القایی-دوقطبی بین مولکول‌های ناقطبی می‌توانند موجب ایجاد برهم‌کنش‌های بین مولکولی شوند که این مورد دقیقا به همان شکلی صورت می‌گیرد که مواد تک‌اتمی همچون زنون،‌ برهم‌کنش‌های بین اتمی ایجاد می‌کنند. این اثر، در تصویر بالا به صورت دو مولکول $$H_2$$ نشان داده شده است.  به طور مثال، $$Xe$$ در دمای $$-108$$ درجه سانتی‌گراد به جوش می‌آید،‌ درحالیکه هلیوم نقطه جوشی برابر با $$-269$$ درجه سانتی‌گراد دارد. دلیل این روند آن است که قدرت نیروهای پراکندگی لاندن به توزیع الکترون و آشفتگی آن مرتبط هستند.

تاثیر اندازه مولکول بر نیروهای لاندن

در اتم‌های کوچک همچون هلیوم، دو الکترون $$1s$$ در حجم و فاصله بسیار کمی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و دافعه الکترون‌-الکترون به اندازه‌ای قوی هست تا از توزیع نامتقارن جلوگیری کند. در اتم‌های بزرگ‌تر همچون زنون، الکترون‌های لایه آخر، جاذبه بسیار کمتری را از طرف هسته احساس می‌کنند چراکه لایه‌های میانی دیگر، مانع از این جاذبه می‌شوند. در نتیجه، تغییر شکل موقت توزیع الکترون و ایجاد یک دوقطبی خودزا یا القایی، به نسبت ساده است. سادگی تغییر شکل توزیع الکترون در اتم یا مولکول را «قطبش‌پذیری» (Polarizability) می‌گویند. باتوجه به اینکه توزیع الکترون، به سادگی در ذرات بزرگ و سنگین در مقایسه با ذرات کوچک و سبک تغییر می‌کند، می‌توان اینگونه بیان کرد که مواد سنگین‌تر، قطبش‌پذیری بیشتری نسبت به مواد سبک‌تر دارند. همچنین می‌توان بیان کرد که برای مواد مشابه، نیروهای پراکندگی لاندن، با افزایش اندازه مولکول، قوی‌تر می‌شوند.

قطبش‌پذیری یک ماده همچنین بیان می‌کند که چطور این ماده با یون‌ها و دیگر ذرات شامل دوقطبی‌های دائمی، برهم‌کنش انجام می‌دهد. در نتیجه، می‌توان یک روند کلی برای نیروهای پراکندگی لاندن در نظر گرفت به گونه‌ای که با افزایش جرم مولی و مساحت در سیستم‌های همسان (همولوگ)، نقطه جوش بالاتری خواهیم داشت که این مورد را می‌توان در آلکان‌ها مشاهده کرد.

تاثیر شکل مولکول بر نیروهای لاندن

علاوه بر این، قدرت نیروهای پراکندگی لاندن به طور قابل توجهی به شکل مولکول بستگی دارد چراکه شکل مولکول تعیین می‌کند که آن مولکول چگونه با مولکول‌های همجوار خود در هر لحظه برهم‌کنش انجام می‌دهد. به طور مثال، تصویر ۲و۲-دی‌متیل پروپان و ان-پنتان را در نظر بگیرید که هر دو، فرمول تجربی $$C_ 5 H _ {12}$$ دارند. ۲و۲-دی‌متیل پروپان تقریبا به صورت کروی است و برای انجام برهم‌کنش‌های بین مولکولی، سطح کمی دارد. درحالیکه ان‌-پنتان، شکل (کانفورماسیون) طویل دارد که تماس نزدیک آن را با مولکول مشابه فراهم می‌کند. در نتیجه، نقطه جوش ۲و۲-دی‌متیل پروپان، ۲۵ درجه کمتر از مولکول ان-پنتان است.

علاوه بر سایر نیروهای جاذبه ممکن، تمامی مولکول‌ها، فارغ از قطبی با ناقطبی بودن، به کمک نیروهای پراکندگی لاندن، به یکدیگر جذب می‌شوند. البته به طور کلی، برهم‌کنش‌های دوقطبی،دوقطبی در مولکول‌های کوچک قطبی، به مراتب قوی‌تر از نیروهای پراکندگی لاندن هستند.

مثال

بوتان،‌ پروپان، ۲متیل پروپان (ایزوبوتن) و ان-پنتان (نرمال پنتان) را به ترتیب افزایش نقطه جوش مرتب کنید.

برای حل این سوال باید نیروهای بین مولکولی را تعیین کنیم و سپس بر اساس قدرت نیروها، آن‌ها را طبقه‌بندی کنیم. هر چهار ترکیب،‌ نوعی آلکان و ناقطبی هستند. در نتیجه، نیروهای پراکندگی لاندن، تنها نیروی بین مولکولی به شمار می‌آید. همانطور که دیدیم، قدرت این نیروها با افزایش جرم مولکولی، بیشتر می‌شوند. در نتیجه، پروپان پایین‌ترین نقطه جوش و ان-پنتان، بالاترین نقطه جوش را دارند. ایزومرهای بوتان هم در بین این دو ترکیب قرار می‌گیرند. بنابراین، انتظار داریم نیروهای بین مولکولی در بوتان، به دلیل سطح تماس بیشتر، قوی‌تر باشند و نقطه جوش بالاتری بدست دهند. در نتیجه این مولکول‌ها به ترتیب زیر مرتب خواهند شد:

ان-پنتان > بوتان > ۲-متیل پروپان > پروپان

پیوندهای هیدروژنی

در آموزش «پیوند هیدروژنی -- از صفر تا صد» به طور کامل در خصوص پیوندهای هیدروژنی صحبت کردیم. می‌دانیم مولکول‌هایی شامل هیدروژن که به اتم‌های الکترونگاتیوی همچون اکسیژن، نیتروژن و فلوئور متصل هستند، نیروهای بین مولکولی قدرتمندی دارند. وجود اختلاف زیاد در الکترونگاتیوی، موجب ایجاد بار جزئی مثبت بر روی اتم هیدروژن و بار جزئی منفی بر روی اتم‌های اکسیژن، نیتروژن و فلوئور می‌شود. بنابراین، پیوندهای هیدروژن-اکسیژن، هیدورژن-نیتروژن و هیدروژن-فلوئور، دوقطبی‌های پیوندی بسیار قدرتمندی دارند که به شدت با یکدیگر برهم‌کنش انجام می‌دهند.

فیلم آموزش آزمایشگاه شیمی عمومی – به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

از آنجایی که اندازه یک اتم هیدروژن، کوچک است، این نوع از دوقطبی‌ها نسبت به سایر دوقطبی‌ها، بیشتر به یکدیگر نزدیک می‌شوند. ترکیب پیوندهای دوقطبی بلند و فواصل دوقطبی-دوقطبی کوتاه،‌ برهم‌کنش‌های بسیار قدرتمند دوقطبی-دوقطبی را موسوم به پیوند هیدروژنی نتیجه می‌دهد. در تصویر زیر، این نوع پیوند در یخ نشان داده شده است. پیوند هیدروژنی را معمولا به صورت خط‌چین‌هایی بین دهنده و پذیرنده پیوند هیدروژنی نشان می‌دهند.

با توجه به اینکه هر مولکول آب،‌ دو اتم هیدروژن و دو جفت‌الکترون ناپیوندی دارد، برای ایجاد تعداد بیشینه پیوند هیدروژنی، به آرایش چهاروجهی نیاز داریم. در ساختار یخ، هر اتم اکسیژن با یک چهاروجهی اتم‌های هیدروژن احاطه شده است که به اتم‌های اکسیژنِ مولکول‌ آب مجاور، اتصال پیدا کرده‌اند. اتم‌های هیدروژنی که به مولکول‌های مجاور،‌ متصل شده‌اند، در یک فاصله برابر از دو اکسیژن اتصالی قرار ندارند.

در مقابل، هر اتم هیدروژن از دو اتم اکسیژن دیگر به ترتیب 101 و ۱۷۴ پیکو‌متر فاصله دارد. همچنین، هر اتم اکسیژن به دو اتم هیدروژن با فاصله‌های کمتر و دو اتم با فاصله‌های بیشتر، متصل است که در نتیجه این برهم‌کنش‌ها، دو پیوند کووالانسی هیدروژن-اکسیژن و دو پیوند هیدروژنی اکسیژن-هیدروژن خواهیم داشت. در نهایت، با توجه به موارد بالا، ساختار قفس‌مانند یخ به این معناست که این جامد، چگالی کمتری نسبت به مایع خود دارد و به راحتی بر سطح آب سر می‌خورد.

هر مولکول آب،‌ دو پیوند هیدروژنی را از دو مولکول آب می‌پذیرد و دو اتم هیدروژن را بمنظور ایجاد پیوند هیدروژنی، در اختیار دو مولکول آب قرار می‌دهد و نتیجه آن، ساختار فقس‌مانندی است که در یخ قابل مشاهده است. ساختار آب مایع نیز بسیار به یخ شبیه است اما در مایع، پیوندهای هیدروژنی به دلیل حرکت سریع مولکولها، به طور دائم در حال شکستن و تشکیل‌شدن هستند.

به دلیل اینکه یخ،‌ چگالی کمتری نسبت به آب مایع دارد،‌ رودخانه‌ها،‌ دریاچه‌ها و اقیانوس‌ها از بالا به پایین شروع به یخ زدن می‌کنند. در حقیقیت، یخ، لایه‌ای محافظ ایجاد و برای بخش‌های زیرین آب، به صورت عایق عمل می‌کند. در نتیجه این اتقاق، ماهی‌ها و سایر موجودات زنده، در سطوح پایین‌تر دریاها و دریاچه‌های منجمد زنده می‌مانند. اگر یخ، چگال‌تر از آب بود، در فصول سرد، یخ، پس از تشکیل شدن در سطح، به سرعت به پایین سقوط می‌کرد و دریاچه‌ها از عمق منجمد می‌شدند. انبساط آب به هنگام منجمد شدن، دلیلی برای استفاده از ضد یخ در خودروها و پوشاندن لوله‌ها در زمستان است.

ترتیب قدرت پیوندهای شیمیایی متفاوت

تا اینجا مهم‌ترین و رایج‌ترین پیوندهای موجود در دنیای شیمی را مورد بررسی قرار دادیم. حال می‌خواهیم بدانیم ترتیب قدرت این پیوندها نسبت به یکدیگر چگونه است. در این ترتیب پیوند هیدروژنی قوی‌ترین پیوند و در رتبه اول است. بعد از آن پیوند دوقطبی و در جایگاه آخرین نیروی لاندن قرار می‌گیرد.

فیلم مجموعه آموزش دروس شیمی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

مثال

با در نظر گرفتن مولکول‌های $$CH_3OH$$، $$C _ 2 H _ 6$$، زنون و $$(C H _ 3 ) _ 3 N$$، کدام مولکول با خود می‌تواند پیوند هیدروژنی تشکیل دهد؟

راهنمایی:

1.  ابتدا ترکیبی با یک اتم هیدروژن متصل به اکسیژن، نیتروژن یا فلوئور را پیدا کنید. این ترکیبات را می‌توان به عنوان دهنده پیوند هیدروژنی در نظر گرفت.
2. بعد از مشخص کردن ترکیبات احتمالی، آن‌هایی را انتخاب کنید که دارای جفت الکترون ناپیوندی باشند که می‌توان آن‌ها را به عنوان پذیرنده پیوند هیدروژنی در نظر گرفت. اگر ماده‌ای، هم دهنده و هم پذیرنده پیوند هیدروژنی بود، ساختار پیوند هیدروژنی را برای آن رسم کنید.

حل:

1. زنون، اتان $$(C_2H_6)$$ و تری‌متیل آمین $$((C H _ 3 ) _ 3 N )$$، هیچ‌کدام شامل هیدروژن متصل به اکسیژن، نیتروژن یا فلوئور نیستند. بنابراین، نمی‌توانند پیوند هیدروژنی تشکیل دهند.
2. تنها ترکیبی که می‌تواند به عنوان دهنده پیوند هیدروژنی عمل کند، متانول $$(C H _ 3 O H )$$ است که هم هیدروژن متصل به اکسیژن دارد و هم این اکسیژن، جفت الکترون ناپیوندی دارد. در نتیجه،‌ متانول، پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهد و به عنوان دهنده و پذیرنده پیوند هیدروژنی عمل می‌کند. ساختار آن به شکل زیر خواهد بود:

با وجود اینکه پیوندهای هیدروژنی به طور قابل توجهی ضعیف‌تر از پیوندهای کووالانسی هستند، تاثیرات قابل توجهی بر خواص فیزیکی یک ترکیب دارند. ترکیباتی همچون $$HF$$ و آمونیاک خالص، تنها دو پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهند اما در مقابل، آب با چهار پیوند هیدروژنی، نقطه جوش بالاتری دارد. این درحالیست که جرم مولکولی این مواد نیز به یکدیگر شبیه است.

مثال

ترکیبات فولرن باکمینستر $$(C _ {60})$$، نمک خوراکی، هلیوم، آرگون و $$N_ 2 O$$ را به ترتیب افزایش نقطه جوش مرتب کنید.

راهنمایی: نیروهای بین مولکولی را در هر ترکیب مشخص و ترکیبات را بر اساس قدرت نیروها مرتب کنید. ترکیبی با کمترین قدرت،‌ پایین‌ترین نقطه جوش را خواهد داشت.

حل: برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک، قوی‌ترین نوع نیروها در یک ترکیب یونی است. در نتیجه، انتظار داریم که $$NaCl$$ بالاترین نقطه جوش را داشته باشد. برای پیش‌بینی نقطه جوش دیگر ترکیبات، باید قطبیت آن‌ها همچون برهم‌کنش‌های دوقطبی دوقطبی را در نظر بگیرید. همچنین، توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی و جرم مولی (برای نیروهای پراکندگی لاندن) را نیز باید در نظر بگیرید.

هلیوم، ناقطبی و سبک‌ترین ماده است. بنابراین، باید پایین‌ترین نقطه جوش را نیز داشته باشد. آرگون و $$N_ 2 O$$، جرم‌های مولی مشابهی دارند اما $$N_ 2 O$$ خاصیتی قطبی دارد. بنابراین،‌ $$N_ 2 O$$ باید نقطه جوش بالاتری داشته باشد. مولکول $$(C _ {60})$$ که آلوتروپی از کربن است،‌ خاصیتی ناقطبی با جرم مولی $$720 g / mol$$ و بسیار بیشتر از آرگون و $$N_ 2 O$$ دارد. با توجه به این‌که نقطه جوش مواد ناقطبی، به سرعت با جرم مولکولی افزایش پیدا می‌کند، مولکول $$(C _ {60})$$ باید نقطه جوش بالاتری نسبت به سایر مواد غیریونی داشته باشد. ترتیب پیش‌بینی شده به همراه نقطه جوش واقعی این مواد در زیر آورده شده است:

$$\text { He } \left( - 269 ^ { \circ } \mathrm { C } \right) <\; \mathrm { Ar } \left( - 185.7 ^ { \circ } \mathrm { C } \right) <\; \mathrm { N } _ { 2 } \mathrm { O } \left( - 88.5 ^ { \circ } \mathrm { C } \right) <\; \mathrm { C } _ { 60 } \left( >\; 280 ^ { \circ } \mathrm { C } \right) <\; \mathrm { NaCl } \left( 1465 ^ { \circ } \mathrm { C } \right)$$

مثال

قوی‌ترین نیروهای بین مولکولی هر ترکیب زیر را مشخص کنید؟

1. $$C _ 3 H _ 8$$
2. $$C H _ 3 O H$$
3. $$H _ 2 S$$

حل:

1. پیوندهای کربن-هیدروژن، قطبیت بسیار کمی دارند. از بین نیروهای بین مولکولی می‌توان نیروهای پراکندگی را برای این ماده نام برد.
2. این مولکول، اتم هیدروژنی دارد که به اتم اکسیژن وصل شده است. درنتیجه، پیوند هیدروژنی خواهیم داشت.
3. با وجود اینکه این مولکول، پیوند هیدروژنی نمی‌دهد، ساختار لوویس و نظریه وسپر نشان می‌دهد که مولکولی خمیده و در نتیجه یک دوقطبی دائمی خواهیم داشت. بنابراین، از بین نیروهای بین مولکولی باید به برهم‌کنش دوقطبی دوقطبی اشاره کرد.

جمع‌بندی

نیروهای بین مولکولی نوعی از نیروهای الکترواستاتیک در طبیعت هستند که نیروی واندروالس و پیوندهای هیدروژنی را نیز شامل می‌شوند. مولکول‌ها در مایع به کمک نیروهای بین مولکولی و توسط سایر مولکول‌ها در کنار یکدیگر نگاه داشته شده‌اند. لازم به ذکر است که این نیروها، از نیروهای درون‌مولکولی نگهدارنده اتم‌ها در کنار یکدیگر و یون‌های چنداتمی، ضعیف‌تر هستند.

تغییرات در حالات مواد به دلیل تغییرات در نیروهای بین مولکولی است اما این تغییرات، تاثیری بر نیروهای درون‌مولکولی ندارند. سه دسته اصلی از برهم‌کنش‌های بین مولکولی عبارتست از:

1. برهم‌کنش دوقطبی-دوقطبی
2. نیروهای پراکندگی لاندن
3. پیوند هیدروژنی

لازم به ذکر است که موارد اول و دوم را به نام نیروهای واندروالس می‌شناسند.

برهم‌کنش‌های دوقطبی-دوقطبی از برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک سرهای مثبت و منفی مولکول‌ها با ممان دوقطبی دائم آن‌ها بوجود می‌آیند که قدرت این برهم‌کنش‌ها به مقدار ممان دوقطبی و فاصله آن‌ها به صورت $$\frac{1}{r^ 3}$$ متناسب است. نیروهای پراکندگی لاندن، به دلیل تشکیل ممان‌های دوقطبی خودزا در مولکول‌های قطبی و ناقطبی بوجود می‌آیند که نتیجه نوسان کوتاه‌مدت توزیع بار الکترون هستند. در اثر این شرایط، دوقطبی القایی در مولکول‌های همجوار شکل می‌گیرد. لازم به ذکر است که انرژی آن‌ها نیز با افزایش فاصله، به صورت $$\frac{1}{r^ 6}$$ کاهش پیدا می‌کنند.

قطبش‌پذیری در مولکول‌های بزرگتر،‌ بیشتر است زیرا  الکترون لایه آخر آن‌ها تاثیر کمتری از هسته می‌گیرد. پیوندهای هیدروژنی، برهم‌کنش‌های قدرتمند دوقطبی-دوقطبی بین مولکول‌هایی است که اتم هیدروژن آن‌ها، به یک اتم با الکترونگاتیوی بالا متصل باشد. در نتیجه، بار جزئی مثبت در اتم هیدروژن یک مولکول، به شدت با جفت‌الکترون ناپیوندی اتم‌های باردار با بار جرئی منفی مولکول مجاور، برهم‌کنش انجام می‌دهند. به دلیل پیوند هیدروژنی مستحکم بین مولکول‌های آب، این ماده دارای نقطه جوش بالایی است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی شیمی
• آموزش نظریه اتم‌ها در مولکول‌ها با نرم‌افزار محاسباتی AIM2000
• استوکیومتری — به زبان ساده
• ثابت تعادل — از صفر تا صد

^^