ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

Gazy nawet typu He lub H₂ można skroplić i nawet zestalić. Woda

H₂O (m. cz. = 18) jest cieczą, H₂S (m. cz. = 34) jest gazem.

n-pentan C₅H₁₂ CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH_3­ t. w. = 36 ^o C

2,2-dimetylopropan C₅H₁₂ t. w. = 10 ^o C

ta sama masa cząsteczkowa co n-pentan

Jakie oddziaływania mają miejsce między cząsteczkami i co z nich wynika?

Typy oddziaływań międzycząsteczkowych

1. Siły dyspersyjne Londona
   Typowa energia ~ 2 KJ · mol^-1 dla H₂, He, Ne.
   Nawet całkowicie niepolarne cząsteczki (N₂, H₂) i pojedyncze ato­my (He, Ne) dają się skroplić lub zestalić. Kiedy mówimy, że jakaś cząsteczka jest niepolarna, to rozumiemy, że uśredniony moment dipolowy wynosi 0. Ale on się zmienia w czasie. Przyczyna - fluktuacje chmur elektronowych. Dwa chwilowe dipole się przyciągają. Ulegają temu oddziaływaniu wszystkie cząsteczki.
   
   Oddziaływania najsłabsze, ale addytywne. Dla długich łańcuchów dość duże. Im więcej elektronów w cząsteczce tym tego typu oddziaływania silniejsze.
   F₂ - gaz, Cl₂ - gaz, Br₂ - ciecz, I₂ - ciało stałe.
   n-pentan C₅H₁₂ ruchliwa ciecz, n-pentadekan C₁₅H₃₂ - olej,
   n-oktadekan C₁₈H₃₈ - woskowate ciało stałe.
   
   Kształt cząsteczki - im bardziej „kulista” cząsteczka tym oddziaływania słabsze.
   
   
   

2. Oddziaływania dipol-dipol, dla substancji polarnych, trwałe ła­dunki cząstkowe sąsiednich cząsteczek oddziaływają między sobą.
   Typowa energia ~ 2 KJ · mol^-1. Jeżeli cząsteczki rotują (faza ga­zo­wa) to tylko ~ 0,3 KJ · mol^-1. Skraplanie i zestalanie gazów po­lar­nych jest częściowo spowodowane tym oddziaływaniem
   
   
   

3. Oddziaływania dipol-dipol indukowany, oddziaływania raczej słabe, ale np. „ luźne związki CH₄ z wodą ”, hydraty gazów szlachetnych (stosunkowo trwałe). Często substancje są utrzymywane w stanie ciekłym lub stałym przez te wszystkie siły razem.
   Oddziaływania 1, 2, 3 nazywa się często oddziaływaniami van der Waals'a.

4. Wiązania wodorowe. Jest utworzone przez atom wodoru między dwoma małymi elektroujemnymi atomami (N, O i F)
   Typowa energia ~ 20 KJ · mol^-1. Najsilniejsze z oddziaływań międzycząsteczkowych. Ale entalpia wiązania H₂ = 436 KJ · mol^-1.
   Temp. wrzenia (^o C) - w przybliżeniu miara oddziaływań międzycząsteczkowych
   HF (19,5), HCl (-84,2), HBr (-67,1), HI (-35,1)
   H₂O (100), H₂S (-60,1), H₂Se (-41,3), H₂Te (-4,1).
   NH₃ (-34,5), PH₃ (-87,7), AsH₃ (-62,4), SbH₃ (-18,4).
   CH₄ (-161,5), SiH₄ (-118,8), GeH₄ (-88,1), SnH₄ (-52,5).
   

Woda - skomplikowany układ wiązań wodorowych

Podobnie amoniak

dobra rozpuszczalność HF we wodzie i alkoholu we wodzie.

Alk. etylowy (M.cz. 46) tw.=78,3 ^oC eter metyl. (M.cz. 46) tw.=-24 ^oC

Przykłady biologiczne: drewno, białka, łańcuch DNA

Ciecze i CIAŁA STAŁE

Ciecze; atomy jony lub cząsteczki są blisko siebie, ściśliwość cieczy jest niewielka, ale oddziaływania międzycząsteczkowe pozwalają na nieza­leż­ny ruch cząsteczek, jonów lub atomów wobec siebie.

Lepkość cieczy - wynik oddziaływań międzycząsteczkowych.

Rtęć, kwas siarkowy, gliceryna, pentadekan, woda, eter etylowy

Napięcie powierzchniowe wynika z niezrównoważenia sił międzycząs­tecz­kowych przy powierzchni cieczy. Stąd wynikają siły kapilarne i menisk.

Siły adhezji: oddziaływanie powierzchnia naczynia - cząsteczki w cieczy.

Siły kohezji: oddziaływanie cząsteczki w cieczy - cząsteczki w cieczy.

Ciała stałe; atomy jony lub cząsteczki są blisko siebie, oddziały­wania międzycząsteczkowe nie pozwalają na nieza­leż­ny ruch cząsteczek, jo­nów lub atomów wobec siebie. Ciała stałe dzielą się na:

1. bezpostaciowe (amorficzne) np. szkło, kauczuk, smalec, szkło kwar­cowe. Atomy, jony lub cząsteczki są rozmieszczone bezładnie.

2. krystaliczne np. chlorek sodu, metale, siarka rombowa, fosfor czar­ny, naftalen, kwarc. Atomy, jony lub cząsteczki są rozmiesz­czone w sposób uporządkowany tworząc sieć krystaliczną. Wyka­zują płaskie powierzchnie zwane ścianami kryształu.

3. ciekłe kryształy, właściwości pośrednie między cieczą a ciałem krystalicznym.

Ciała krystaliczne; podział ze względu na oddziaływania międzyczą­stecz­kowe scalające kryształ.

1. Metale, scalone przez wiązanie metaliczne, pierwiastki bloków s, p i d. K, Ba, Au, Al, Fe, Pt. Kowalne, ciągliwe, przewodniki ciepła i prądu elektrycznego.

2. Jonowe, scalone przez przyciąganie się anionów i kationów. Sole, tlenki, wodorotlenki. NaCl, BaO, KOH, Twarde, sztywne, kruche, wysokie tempera­tury topnienia i wrzenia. Stopione oraz rozpusz­czone we wodzie przewodzą prąd elektryczny.

3. Kowalencyjne, usieciowane przez oddziaływania kowalencyjne w całej objętości kryształu. Diament, kwarc, bor. Twarde, sztywne, kruche, wysokie tempera­tury topnienia i wrzenia, nierozpuszczal­ne we wodzie. W stanie stopionym nie przewodzą prądu elektrycz­nego

4. Molekularne, usieciowane przez oddziaływania międzycząstecz­kowe typu dyspersyjne, dipol - dipol lub wiązanie wodorowe. P₄, I₂, lód, naftalen. Stosunkowo niskie tempera­tury topnienia i wrze­nia, kruche.

Metale.

Sieć przestrzenna zbudowana jest z jonów metalu otoczonych morzem elektronów, stąd połysk, kowalność, przewodnictwo elektronowe.

Pasmowa teoria ciała stałego.

Jest to zastosowanie teorii orbitali molekularnych do makrocząste­czek. Rozpatrzmy ”cząsteczkę” składającą się z 1g sodu (1 mol Na = 23g) - 2,62 · 10²² atomów sodu co daje 2,62 · 10²² orbitali atomowych 3s z obsadzeniem 2,62 · 10²² elektronów. Tworzymy 2,62 · 10²² orbitale

mo­lekularne, około połowa obsadzona jest przez pary elekt­ro­­­no­we.

Przewodniki, izolatory, półprzewodniki

CB - pasmo przewodzenia

(conductivity band)

poziom Fermiego

(najwyższy poziom

obsadzony)

VB - pasmo walencyjne

(valence band)

Domieszkowanie półprzewodników, n arsen, p bor.

8

---