Διαμοριακές Αλληλεπιδράσεις Εξάρτηση Απόστασης

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο ή περισσότερων μορίων ονομάζονται διαμοριακές αλληλεπιδράσεις, ενώ οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μοριακών ατόμων ονομάζονται ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις. Η διαμοριακή αλληλεπίδραση συμβαίνει σε όλους τους τύπους μορίων ή ιόντων σε όλες τις καταστάσεις της ύλης. Κυμαίνονται από ισχυρή ηλεκτρική έλξη μεγάλης εμβέλειας και απώθηση μεταξύ ιόντων έως σχετικά ασθενείς δυνάμεις διασποράς που δεν έχουν ακόμη εξηγηθεί πλήρως.

Χωρίς αυτές τις αλληλεπιδράσεις, συμπυκνωμένες μορφές ύλης (υγρά και στερεά) υπάρχουν μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Θα διερευνήσουμε αυτές τις διαφορετικές δυνάμεις και αλληλεπιδράσεις στην αέρια φάση για να κατανοήσουμε γιατί ορισμένα υλικά εξατμίζονται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ άλλα παραμένουν σε στερεή ή υγρή μορφή σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.

Έννοια Διαμοριακών Δυνάμεων

Οι διαμοριακές δυνάμεις μπορούν να περιγραφούν ως οι ελκτικές και απωστικές δυνάμεις που υπάρχουν μεταξύ αλληλεπιδρώντων σωματιδίων ατόμων και μορίων σε μια ένωση. Οι ελκτικές διαμοριακές δυνάμεις ονομάζονται δυνάμεις van der Waals και περιλαμβάνουν δυνάμεις διασποράς ή Λονδίνου, δυνάμεις διπόλου-διπόλου και διπολικές δυνάμεις που προκαλούνται από το δίπολο.

Οι διαμοριακές δυνάμεις στο στερεό  είναι πολύ ισχυρές. Τα συστατικά σωματίδια είναι σφιχτά συσκευασμένα, καθιστώντας το στερεό ασυμπίεστο και πυκνό. Στην περίπτωση των υγρών, οι διαμοριακές δυνάμεις συγκρατούν τα σωματίδια μαζί αλλά δεν τα συγκρατούν σε σταθερή θέση, επιτρέποντάς τους να ρέουν εύκολα και να έχουν ένα συγκεκριμένο σχήμα. Στην περίπτωση των αερίων, οι διαμοριακές δυνάμεις είναι πολύ αδύναμες, επιτρέποντας στα συστατικά σωματίδια να κινούνται ελεύθερα.

Δυνάμεις διασποράς ή δυνάμεις του Λονδίνου

Η Δύναμη του Λονδίνου ή η Δύναμη Διασποράς αναφέρεται στην ελκτική δύναμη που υπάρχει μεταξύ δύο δυνάμεων. Προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Γερμανό φυσικό Fritz London. Αυτές οι δυνάμεις είναι πάντα ελκυστικές. Η ενέργεια αλληλεπίδρασης αυτής της δύναμης στην έκτη δύναμη της απόστασης μεταξύ των δύο αλληλεπιδρώντων δυνάμεων είναι αντιστρόφως ανάλογη.

Θεωρήστε δύο άτομα και εξετάστε την κατανομή φορτίου ηλεκτρονίων σε ένα ασύμμετρο άτομο. Το νέφος φόρτισης είναι πιο πυκνό στη μία πλευρά από την άλλη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία άμεσων διπόλων στα άτομα για μικρό χρονικό διάστημα. Αυτό δημιουργεί ένα δίπολο στο άτομο.

Τα προσωρινά δίπολα και των δύο ατόμων ελκύουν το ένα το άλλο. Ομοίως, δημιουργούνται προσωρινά δίπολα στα μόρια. Αυτές οι δυνάμεις εφαρμόζονται σε μικρές αποστάσεις περίπου 500 μm. Το μέγεθος αυτής της δύναμης εξαρτάται από την ικανότητα πόλωσης των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν.

Δυνάμεις Διπόλου-Διπόλου

Η δύναμη διπόλου-διπόλου είναι η δύναμη που υπάρχει μεταξύ μορίων με μόνιμα δίπολα, όπου κάθε άκρο του διπόλου αποτελείται από ένα μερικό φορτίο που είναι πάντα μικρότερο από το μοναδιαίο φορτίο ηλεκτρονίων (1,6 × 10-19 C). Αυτή η δύναμη είναι ισχυρότερη από τη δύναμη του Λονδίνου, αλλά πιο αδύναμη από την αλληλεπίδραση ιόντων-ιόντων λόγω της συμμετοχής μερικών φορτίων.

Η ελκτική δύναμη μειώνεται όσο αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των διπόλων. Η απόσταση μεταξύ των πολικών μορίων και της ενέργειας αλληλεπίδρασης αυτής της δύναμης είναι αντιστρόφως ανάλογη μεταξύ τους.

Διπολική δύναμη που προκαλείται από δίπολο

Διπολική δύναμη που προκαλείται από δίπολα είναι η δύναμη μεταξύ πολικών μορίων με μόνιμα δίπολα και μορίων χωρίς μόνιμα δίπολα. Τα μόνιμα δίπολα πολικών μορίων προκαλούν δίπολα σε ηλεκτρικά ουδέτερα μόρια δημιουργώντας παραμορφώσεις στα ηλεκτρονιακά τους νέφη.

Η ενέργεια αλληλεπίδρασης αυτής της δύναμης στην έκτη δύναμη της απόστασης μεταξύ των δύο μορίων είναι αντιστρόφως ανάλογη. Όσο μεγαλύτερη είναι η πολικότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η έλξη.

Δεσμοί υδρογόνου

Ορισμένες ουσίες όπως το H2O, το HF και το NH3 θα σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου που επηρεάζουν τις ιδιότητες της ουσίας (mp, bp, διαλυτότητα). Άλλες ενώσεις που περιέχουν ομάδες ΟΗ και ΝΗ2 μπορούν επίσης να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου. Τα μόρια πολλών οργανικών ενώσεων όπως οι αλκοόλες, τα οξέα, οι αμίνες και τα αμινοξέα περιέχουν αυτές τις ομάδες, επομένως ο δεσμός υδρογόνου παίζει σημαντικό ρόλο στις βιολογικές επιστήμες.

Ομοιοπολικοί δεσμοί

Οι ομοιοπολικοί δεσμοί είναι στην πραγματικότητα ενδομοριακές και όχι διαμοριακές δυνάμεις. Αναφέρεται εδώ επειδή ορισμένα στερεά σχηματίζονται λόγω ομοιοπολικών δεσμών. Για παράδειγμα, στο διαμάντι, το πυρίτιο, τον χαλαζία κ.λπ., όλα τα άτομα ολόκληρου του κρυστάλλου συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς.

Μεταλλικοί δεσμοί

Οι δυνάμεις μεταξύ των ατόμων σε μεταλλικά στερεά εμπίπτουν σε διαφορετικές κατηγορίες. Τα ηλεκτρόνια σθένους βρίσκονται παντού στα μέταλλα. Δεν περιορίζονται σε συγκεκριμένα άτομα ή δεσμούς. Αντίθετα, ρέουν ελεύθερα σε στερεά και παρέχουν καλή αγωγιμότητα για τη θερμική και ηλεκτρική ενέργεια.

Συμπέρασμα

Όλες οι διαμοριακές αλληλεπιδράσεις είναι ηλεκτροστατικές, προκαλούνται δηλαδή από την έλξη αντίθετων φορτίων. Η ισχύς αυτών των αλληλεπιδράσεων αυξάνεται με την αύξηση του φορτίου. Τα ιόντα είναι τα πιο φορτισμένα, επομένως οι αλληλεπιδράσεις που σχηματίζονται μεταξύ αντίθετα φορτισμένων ιόντων είναι οι ισχυρότερες διαμοριακές αλληλεπιδράσεις.

Το δεύτερο ισχυρότερο είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ μορίων που περιέχουν πολικούς δεσμούς. Οι πολικοί δεσμοί είναι ομοιοπολικοί δεσμοί στους οποίους τα ηλεκτρόνια μοιράζονται άνισα. Επομένως, τα άτομα που είναι πιο ηλεκτραρνητικά έχουν μερικό αρνητικό φορτίο και τα άτομα που είναι λιγότερο ηλεκτραρνητικά έχουν μερικό θετικό φορτίο.

Αυτή η διάταξη, στην οποία τα θετικά και αρνητικά φορτία διαχωρίζονται μεταξύ των ατόμων, ονομάζεται δίπολα. Οι διαμοριακές δυνάμεις είναι υπεύθυνες σε κάποιο βαθμό για τις ιδιότητες που παρουσιάζει η ύλη.