קשרים בין מולקולריים
חומר בצובר מורכב ממספרים עצומים של חלקיקים : אטומים , מולקולות , יונים ( שם כולל - צורונים ) . הצורונים השונים ( בגודלם , בצורותם ובקוטביות שלהם ) נמצאים בצובר באינטראקציות שונות . לאינטראקציות בין הצורונים בצובר נהוג לקרוא כוחות בין-מולקולריים ( intermolecular forces ) - הכוחות הפועלים בין המולקולות , להבדיל מהכוחות האחראים להיווצרות קשרים כימיים בין האטומים - הקשרים הכימיים הנובעים מהכוחות התוך-מולקולריים ( intramolecular forces ) . הכוחות הבין-מולקולריים קושרים את הצורונים זה לזה בצובר והם בעלי חשיבות מכרעת בקביעת התכונות הפיזיקליות של חומר בצובר , לכן השם הנוסף של הכוחות הבין-מולקולריים הוא קשרים בין-מולקולריים .
הערה :
חומר בצובר ( bulk matter ) - כמות מסוימת של חומר שתכונותיו נובעות מתכונות הצורונים , המרכיבים את כל אחד ממצבי צבירה של החומר ( מוצק , נוזל , גז ) .
תוכן עניינים
סוגי הקשרים הבין-מולקולריים
קיימים הקשרים הבין-מולקולרים השונים :
1. קשרי ואן דר ואלס :
- כוחות לונדון - בין מולקולות לא קוטביות . - כוחות בין מולקולות לא קוטביות לבין מולקולות קוטביות , - כוחות בין מולקולות קוטביות .
2. קשרי מימן .
3. קשרים בין יונים לבין מולקולות קוטביות .
הערה:
במספר ספרי עיון "כימיה" מתייחסים לכוחות לונדון בלבד בשם "כוחות ואן דר ואלס" ומבדילים בשלוש סוגי האינטראקציות השונות , הקיימות זו לצד זו . לכל אחד מהאינטראקציות מתאימה אנרגיה פוטנציאלית טיפוסית כ- kj/mol 2 . בבית הספר אנו מתייחסים לקשרי ואן דר ואלס כלקשר מסוג אחד , המוגבר על ידי גורמים שונים ולא תמיד זה נכון!
נתן להסביר את מקור הקשרים הבין-מולקולריים השונים על פי חוק קולון , המתאר את את האינטראקציות בין הצורונים השונים .
כל הצורונים נמשכים זה לזה כשהן במרחק של כמה רדיאוסים מולקולריים , אך דוחים זה את זה מייד כאשר ענני האלקטרוניים שלהם באים במגע. כתוצאה , משתנה האנרגיה הפוטנציאלית של הצורון כתלות במרחק מהצורון האחר . במרחקים בינוניים האנרגיה הפוטנציאלית נמוכה מאשר במרחק אינסופי. משיכה מורידה תמיד את האנרגיה הפוטנציאלית של הצורונים. כאשר נוצר מגע בין הצורונים האנרגיה הפוטנציאלית מתחילה לעלות , שכן דחייה מעלה תמיד את האנרגיה הפוטנציאלית של הצורונים . כאשר על הצורונים לא פועלים כוחות נוספים , כוחות המשיכה והדחייה בין הצורונים משתווים וכתוצאה הצורונים נצמדים זה לזה במרחק מסוים - נוצרו הקשרים הבין- מולקולריים .
בין אלו הצורונים עשויות להתקיים האינטראקציות השונות ?
כל האינטראקציות בין הצורונים הן אינטראקציות קולוניות בין שני מטענים . הצורונים שונים זה מזה בקוטביות שלהם , לכן נוצרים סוגים שונים של האינטראקציות :
סוגי האינטראקציות :
1. אינטראקציות דיפול מושרה - דיפול מושרה : הצורונים המעורבים - כל סוגי המולקולות .
2. אינטראקציות דיפול - דיפול מושרה : הצורונים המעורבים - אחת המולקולות לפחות צריכה להיות קוטבית .
3. אינטראקציות דיפול - דיפול : הצורונים המעורבים - מולקולות קוטביות נייחות או מסתחררות ( בגז ) .
4. קשרי מימן : הצורונים המעורבים - מולקולות המכילות אטום מימן הקשור בקשר קוולנטי לאטום N , O , F .
5. אינטראקציות יון - דיפול : הצורונים המעורבים - יונים ומולקולות קוטביות .
הערה:
מולקולת מים היא דוגמה לצורון , המשתתף בכול סוגי האינטראקציות מ- 1 עד 5 .
דיפול - דו-קוטב קבוע , דיפול מושרה - דו-קוטב רגעי .
מאפייני האינטראקציה
האינטראקציות בין הצורונים גורמות לעוות האורביטלים המולקולריים של הצורונים , לשינוי חופש תנועתם , לשינוי האנרגיה הפוטנציאלית של הצורונים ולשינוי המרחק בין מרכזי הצורונים . המאפיינים , האנרגיה הפוטנציאלית והמרחק בין הצורונים , נתנים למדידה וחישובים כמותיים והם הבסים לסיווג הקשרים הבין מולקולריים . להשוואה של חוזק הקשרים הבין-מולקולריים , הבאה על ידי ביטוי בתכונות פיזיקליות של חומרים שונים ( טמפרטורת ההתוך , טמפרטורת הרתיחה , מצב צבירה בטמפרטורת החדר , צמיגות ... ), משתמשים במושג "אנרגיה פוטנציאלית" של הקשרים הבין-מולקולריים. אנרגיה פוטנציאלית של הקשרים הבין-מולקולרים היא האנרגיה הנדרשת לפירוק מול אחד של הקשרים הבין-מולקולריים בין הצורונים. מסמנים בסימן Ep ומחשבים ביחידות kj/mol . הביטוי לחישוב האנרגיה הפוטנציאלית דומה לביטוי לחישוב כוחות המשיכה והדחיה לפי חוק קולון.
גורמים , הנמצאים בביטוי הם גם דומים:
1. האנרגיה הפוטנציאלית של הקשרים הבין-מולקולרים נמצאת בקשר ישר למקפלה בין שני המטענים של הצורונים ( שלמים או חלקיים ) - סימנים של המטענים הם בהתאם לסוגי האינטראקציות השונות.
2. האנרגיה הפוטנציאלית של הקשרים הבין-מולקולרים נמצאת ביחס הפוך למרחק בין הצורונים בחזקות שונות בהתאם לסוגי האינטראקציות השונות.
הערה: בספרי עיון אינם משתמשים במושג "אורך הקשר" . אפשר להגדיר את אורך הקשר הבין-מולקולרי כמרחק בין שני המרכזים של הצורונים בצובר בפאזה מעובה ( נוזל או מוצק ), בו כוחות המשיכה והדחיה בין הצורונים שווים זה לזה ביחידות ננומטר nm . אורך הקשר הבין-מולקולרי גדול יותר מאורך הקשר הקוולנטי ולאינטראקציות השונות הוא בין 0.3 עד 1.0 nm . לדוגמה מולקולות של חמצן נמשכות זו לזו עד למרחק 0.4 nm . אנליזה ספקטרופוטומטרית מראה שבגזים שונים בתנאים שונים קיימים דימרים - מולקולות כפולות ( בטמפרטורות נמוכות ) .
סיווג הקשרים הבין-מולקולריים
נתן לסווג את הקשרים הבין-מולקולריים לפי חוזק הקשרים בהתאם לאנריה הפוטנציאלית של הקשרים הבין-מולקולריים.
קשרי ואן דר ואלס
אינטראקציות דיפול מושרה - דיפול מושרה
מולקולות לא קוטביות נמשכות זה לזה . תרכובות הפחמן רבות , הבנויות ממולקולות לא קוטביות הן במצב נוזל . אפשר לנזל גזים אצילים וגם חמצן . למולקולה לא קוטבית יכול להיות מומנט דיפול חולף , רגעי , והוא עשוי לעוות את ענן האלקטרונים של מולקולה שכנה ולחולל גם בה מומנט דיפול . שני הדיפולים מושכים זה את זה . המולקולה עם ענן האלקטרונים המעוות משפיעה על מולקולות סמוכות ולפי כך בין המולקולות קיימת משיכה . אינטראקציית לונדון היא היחידה הפועלת בין מולקולות לא קוטביות . אינטראקציה זו מתווספת לאינטראקציה דיפול - דיפול .
גורמים:
1. מטענים : חוזקה של אינטראקציית לונדון תלוי בכושר ההתקטבות ( מטענים אלפא ) של המולקולות - מידת העיוות של ענן האלקטרונים שלהן . למולקולות גדולות ובעלות אלקטרונים רבים כושר ההתכתבות גדול יותר .
2. מרחק : האנרגיה הפוטנציאלית היא יחסית לאחד חלקי החזקה השישית של המרחק בין שתי המולקולות. מאחר שחוזק האינטראקציה מושפעה מאוד מן המרחק בין המולקולות , צורת המולקולה ( שטח הפנים ) משפיעה גם : במולקולות בעלות צורות כדוריות יותר רק קטעים קטנים באים במגע ומטענים רגעים מרוחקים יותר .
אינטראקציות דיפול - דיפול מושרה
האינטראקציה דומה לאינטראקציית לונדון . דוגמה - חמצן מתמוסס במים . האינטראקציה נובעת מיכולת של מולקולה קוטבית להשרות מומנט דיפול במולקולה לא קוטבית .
גורמים:
1. מטענים : כושר ההטקטבות ( אלפא ) ומטען חלקי של דיפול קבוע בחזקה שתיים ( מיו ).ככל שמולקולות בעלות אלקטרונים רבים יותר וככל שמטענים חלקיים של הדיפולים קבועים גדולים יותר גם האינטראקציות חזקות יותר .
2. מרחק : השפעתו זהה לאינטראקציות לונדון.
אינטראקציות דיפול - דיפול
מולקולות קוטביות מעורבות באינטראקציות דיפול - דיפול - משיכה בין מטעניהן החלקיים של המולקולות . הן דועכות במהירות עם המרחק , בייחוד בפאזה הנוזלית ובפאזה הגזית , שבהן המולקולות מסתחררות סביב צירן . כאשר המולקולות הקוטביות קבועות במקומן במצב מוצק קיימת משיכה בין המטען החלקי השלילי של המולקולה האחת לבין המטען החלקי החיובי של המולקולה השכנה ולהפך המטענים החלקיים הזהים דוחים זה את זה והמולקולות נערכות בשורות במידת האפשר , כאשר המטענים החלקיים המנוגדים של המולקולות השכנות הם קרובים זה לזה .
גורמים :
1. מטענים : ארבעת המטענים החלקיים של שתי המולקולות גורמים להיווצצרות של מומנטי הדיפולים של שתי המולקולות . ככל שמולקולות קוטביות יותר האינטראקציות חזקות יותר.
2. מרחק : מחקרים מראים כי האנרגיה הפוטנציאלית היא יחסית לאחד חלקי החזקה השלישית של המרחק בין המולקולות במצב מוצק או נוזל ויחסית לאחד חלקי החזקה השישית של המרחק בין המולקולות הקוטביות המסתחררות בפאזה הגזית .
קשרים בין יונים לבין מולקולות קוטביות
קשרי מימן
הצעות לתירגול
קישורים חיצוניים
