Најважније из лекције
• Међумолекулске интеракције одређују физичка својства ковалентних супстанци и вишеструко су слабије од хемијских веза.
• Лондонове силе настају стварањем тренутних и индукованих дипола код неполарних честица (нпр. \(\text{CH}_4\), \(\text{Cl}_2\), племенити гасови).
• Дипол–дипол интеракције настају привлачењем супротних полова сталних дипола поларних молекула (нпр. \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{HCl}\)).
• Водонична веза је најјача међумолекулска веза; формира се између атома \(\text{H}\) везаног за \(\text{F}\), \(\text{O}\) или \(\text{N}\) и слободног електронског пара суседног атома \(\text{F}\), \(\text{O}\) или \(\text{N}\) (нпр. \(\text{H}_2\text{O}\), \(\text{NH}_3\), \(\text{HF}\), ДНК).
• При сличним молекулским масама, супстанце са водоничним везама имају знатно више тачке кључања и топљења и бољу растворљивост у води у поређењу са супстанцама које поседују само дипол–дипол или Лондонове силе.
• Лондонове силе настају стварањем тренутних и индукованих дипола код неполарних честица (нпр. \(\text{CH}_4\), \(\text{Cl}_2\), племенити гасови).
• Дипол–дипол интеракције настају привлачењем супротних полова сталних дипола поларних молекула (нпр. \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{HCl}\)).
• Водонична веза је најјача међумолекулска веза; формира се између атома \(\text{H}\) везаног за \(\text{F}\), \(\text{O}\) или \(\text{N}\) и слободног електронског пара суседног атома \(\text{F}\), \(\text{O}\) или \(\text{N}\) (нпр. \(\text{H}_2\text{O}\), \(\text{NH}_3\), \(\text{HF}\), ДНК).
• При сличним молекулским масама, супстанце са водоничним везама имају знатно више тачке кључања и топљења и бољу растворљивост у води у поређењу са супстанцама које поседују само дипол–дипол или Лондонове силе.
Међумолекулске интеракције су привлачна или одбојна дејства која постоје између молекула супстанци. Оне су пресудне за одређивање физичких својстава ковалентних супстанци (агрегатно стање, температуре топљења и кључања, растворљивост).
Ван дер Валсове силе је заједнички назив који се често користи за све врсте привлачних међумолекулских интеракција.
Међумолекулске интеракције су знатно слабије од хемијских веза (ковалентне и јонске везе).
За испаравање једног мола хлороводоника (\(\text{HCl}\)), односно за савладавање међумолекулских интеракција између молекула, потребно је само \(16\text{ kJ}\) енергије. Са друге стране, за раскидање јаке интрамолекулске ковалентне везе између атома водоника и хлора (\(\text{H}-\text{Cl}\)) потребно је чак \(431\text{ kJ/mol}\).
Да ли се при кључању воде раскидају ковалентне везе унутар молекула воде или међумолекулске интеракције?
При кључању и испаравању савладавају се и раскидају искључиво слабије међумолекулске интеракције између различитих молекула воде, док ковалентне везе између атома водоника и кисеоника унутар самих молекула остају очуване.
Дипол–дипол интеракције настају између поларних молекула услед електростатичког привлачења супротно наелектрисаних крајева њихових сталних дипола (парцијално позитивног \(\delta+\) и парцијално негативног \(\delta-\) краја). Пример су интеракције између молекула \(\text{HCl}\) или \(\text{H}_2\text{S}\).
Лондонове дисперзионе силе су веома слабе привлачне силе које настају између неполарних молекула (нпр. \(\text{O}_2\), \(\text{Br}_2\), \(\text{CH}_4\)) или атома племенитих гасова (нпр. \(\text{He}\), \(\text{Ar}\)).
Механизам настанка Лондонових сила: Кретањем електрона у омотачу неполарног молекула у једном тренутку долази до неравномерне расподеле наелектрисања и ствара се тренутни дипол. Тај дипол затим индукује дипол у суседном молекулу (индуковани дипол), што доводи до њиховог краткотрајног међусобног привлачења. Ове силе брзо настају и брзо нестају.
Атом аргона (\(\text{Ar}\)) и молекул водоник-сулфида (\(\text{H}_2\text{S}\)) имају приближно једнаке масе. Која од ове две супстанце има вишу температуру кључања и зашто?
Вишу температуру кључања има \(\text{H}_2\text{S}\). Молекули \(\text{H}_2\text{S}\) су поларни, па између њих делују релативно јаче дипол–дипол интеракције. Насупрот томе, између неполарних атома племенитог гаса аргона делују само веома слабе Лондонове дисперзионе силе.
Водонична веза је најјача врста међумолекулске интеракције. Настаје као специфичан облик дипол–дипол привлачења између изразито позитивног атома водоника једног молекула и слободног електронског пара изразито електронегативног атома другог (или истог) молекула.
Услови за настанак водоничне везе:
- Један молекул мора имати атом водоника директно везан ковалентном везом за атом велике електронегативности и малог радијуса: флуор (\(\text{F}\)), кисеоник (\(\text{O}\)) или азот (\(\text{N}\)).
- Други молекул мора садржати један од тих електронегативних атома (\(\text{F}\), \(\text{O}\) или \(\text{N}\)) са слободним електронским паром.
Водонична веза се означава испрекиданом линијом (\(\cdots\)).
Најјача водонична веза постоји између молекула флуороводоника (\(\text{HF}\)), при чему се молекули спајају (асосују) у дуплиране јединице (\(\text{H}_2\text{F}_2\)).
Водонична веза може бити:
- Интермолекулска – гради се између два иста молекула (нпр. \(\text{H}_2\text{O}\cdots\text{H}_2\text{O}\)) или различита молекула (нпр. \(\text{NH}_3\cdots\text{H}_2\text{O}\), формалдехид \(\text{H}_2\text{C=O}\cdots\text{H}_2\text{O}\)).
- Интрамолекулска – гради се унутар истог молекула, између његових функционалних група.
Водоничне везе су пресудне у живом свету: одржавају структуру двоструког хеликса ДНК повезивањем база, одређују јединствену кристалну решетку леда и просторну структуру беланчевина.
Јачина међумолекулских интеракција опада следећим редоследом:
\[ \text{Јонска веза} \gg \text{Водонична веза} > \text{Дипол–дипол интеракција} > \text{Лондонове силе} \]
Супстанце сличних релативних молекулских маса имају то више температуре кључања и топљења што су међумолекулске интеракције међу њиховим молекулима јаче.
| Супстанца | \(M_r\) | Тип интеракције | Температура кључања (\(^{\circ}\text{C}\)) |
|---|---|---|---|
| Пропан (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_3\)) | \(44\) | Лондонове дисперзионе силе (неполаран) | \(-42\) |
| Диметил-етар (\(\text{CH}_3\text{OCH}_3\)) | \(46\) | Дипол–дипол интеракције (поларан, нема \(\text{O}-\text{H}\)) | \(-25\) |
| Етанол (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}\)) | \(46\) | Водоничне везе (садржи \(\text{O}-\text{H}\) групу) | \(+79\) |
Да ли су у супстанци присутни јони?
• Да: Јонска веза (нпр. \(\text{NaCl}\), \(\text{K}_2\text{SO}_4\)).
• Не: Прелази се на корак 2.
• Да: Јонска веза (нпр. \(\text{NaCl}\), \(\text{K}_2\text{SO}_4\)).
• Не: Прелази се на корак 2.
Да ли су присутни молекули поларни?
• Не: Слабе Лондонове дисперзионе силе (нпр. \(\text{I}_2\), \(\text{Cl}_2\), \(\text{CH}_4\)).
• Да: Прелази се на корак 3.
• Не: Слабе Лондонове дисперзионе силе (нпр. \(\text{I}_2\), \(\text{Cl}_2\), \(\text{CH}_4\)).
• Да: Прелази се на корак 3.
Да ли постоји водоник везан за \(\text{O}\), \(\text{N}\) или \(\text{F}\)?
• Да: Водоничне везе (нпр. \(\text{H}_2\text{O}\), \(\text{NH}_3\), \(\text{HF}\)).
• Не: Дипол–дипол интеракције (нпр. \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{CH}_3\text{Cl}\)).
• Да: Водоничне везе (нпр. \(\text{H}_2\text{O}\), \(\text{NH}_3\), \(\text{HF}\)).
• Не: Дипол–дипол интеракције (нпр. \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{CH}_3\text{Cl}\)).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која врста међумолекулских интеракција доминира између неполарних молекула брома (\(\text{Br}_2\)) и молекула јода (\(\text{I}_2\))?
Између неполарних молекула делују Лондонове дисперзионе силе (индуковани тренутни диполи), као део Ван дер Валсових сила.
Задатак 2 (средњи): Иако је молекулска маса воде (\(M_r(\text{H}_2\text{O}) = 18\)) знатно мања од молекулске масе водоник-сулфида (\(M_r(\text{H}_2\text{S}) = 34\)), вода је на собној температури течност која кључа на \(100\ ^\circ\text{C}\), док је \(\text{H}_2\text{S}\) гас. Објасни ову појаву.
У молекулу воде водоник је ковалентно везан за изразито електронегативан атом кисеоника (\(\text{O}-\text{H}\)), због чега молекули воде граде међусобно веома јаке водоничне везе. Молекули \(\text{H}_2\text{S}\) су поларни, али сумпор није довољно електронегативан да би се градиле водоничне везе, па између њих делују само знатно слабије дипол–дипол интеракције. За раскидање водоничних веза у води потребна је знатно већа топлотна енергија, па је њена тачка кључања много виша.
Задатак 3 (средњи): Од наведених молекула издвој оне који могу градити међусобне водоничне везе у чистом стању:
а) \(\text{NH}_3\) б) \(\text{HI}\) в) \(\text{CH}_3\text{OH}\) г) \(\text{N}_2\text{O}\)
а) \(\text{NH}_3\) б) \(\text{HI}\) в) \(\text{CH}_3\text{OH}\) г) \(\text{N}_2\text{O}\)
Међусобне водоничне везе могу градити:
• \(\text{NH}_3\) (амонијак) – садржи \(\text{N}-\text{H}\) везу и слободан електронски пар на атому азота.
• \(\text{CH}_3\text{OH}\) (метанол) – садржи \(\text{O}-\text{H}\) везу и слободне електронске парове на кисеонику.
Напомена: \(\text{HI}\) нема довољно електронегативан атом (јод нема довољну електронегативност), а \(\text{N}_2\text{O}\) нема водоников атом.
• \(\text{NH}_3\) (амонијак) – садржи \(\text{N}-\text{H}\) везу и слободан електронски пар на атому азота.
• \(\text{CH}_3\text{OH}\) (метанол) – садржи \(\text{O}-\text{H}\) везу и слободне електронске парове на кисеонику.
Напомена: \(\text{HI}\) нема довољно електронегативан атом (јод нема довољну електронегативност), а \(\text{N}_2\text{O}\) нема водоников атом.
Задатак 4 (тежак): Молекул формалдехида (\(\text{H}_2\text{C=O}\)) не може градити водоничне везе сам са собом, али се одлично раствара у води управо грађењем водоничних веза. Објасни како настаје ова веза са водом и зашто не постоји између два молекула формалдехида.
У чистом формалдехиду атоми водоника су везани за угљеник (\(\text{C}-\text{H}\)), а не за кисеоник, па формалдехид нема довољно позитивно наелектрисан водоник потребан за настанак водоничне везе (зато међу његовим молекулима постоје само дипол–дипол интеракције).
Међутим, формалдехид поседује атом кисеоника са слободним електронским паровима, док вода поседује директно везан \(\text{O}-\text{H}\). Због тога молекул воде донира парцијално позитиван водоник, а кисеоник формалдехида слободан електронски пар, формирајући стабилну интермолекулску водоничну везу: \[ \text{H}_2\text{C}=\text{O}\dots\text{H}-\text{O}-\text{H} \] Ово омогућава изузетну растворљивост формалдехида у води.
Међутим, формалдехид поседује атом кисеоника са слободним електронским паровима, док вода поседује директно везан \(\text{O}-\text{H}\). Због тога молекул воде донира парцијално позитиван водоник, а кисеоник формалдехида слободан електронски пар, формирајући стабилну интермолекулску водоничну везу: \[ \text{H}_2\text{C}=\text{O}\dots\text{H}-\text{O}-\text{H} \] Ово омогућава изузетну растворљивост формалдехида у води.
