Međumolekulske sile

Međumolekulske sile su privlačne ili odbojne sile između molekula. Predstavljaju slabe hemijske veze između molekula. Ne postoji čvrsta granica između slabih i jakih veza, ali se veze čija je energija ispod 100 kJ/mol kategorišu kao slabe.

            Dipolni momenat predstavlja stepen polarnosti veze, i jednak je proizvodu naelektrisanja i rastojanja između centara jezgara atoma.

            µ=e*l

µ-dipolni momenat (C*m)

e-naelektrisanje elektrona (iznosi 1, 602191*10^-19 C)

l-rastojanje između centara jezgara atoma (m)

            Dipolni momenat je vektorska veličina. Ukupni momenat nekog molekula izračunava se kao vektorski zbir pojedinih veza. Što je dipolni momenat veći, veza je kraća i polarnija. Vektor dipolnog momenta usmeren je od pozitivnog ka negativnom atomu.

            Među molekulima javljaju se dipolne privlačne sile, koje uopšteno nazivano Van der Valsovim privlačnim silama. One su sposobne da drže zajedno čak i atome inertnog gasa ili nepolarnih molekula na niskim temperaturama.

            Prouzrokuju mekoću supstance u kojoj deluju, s obzirom na to da su veoma slabe. Na primer, margarin je skup molekula koji se drže Van der Valsovim silama i oštricom noža lako se menja njihov raspored.

            Postroje tri tipa ovih sila: orijentacione (dipol-dipolno privlačenje), indukcione (dipol-indukovani dipol privlačenje) i disperzione.

            Prvi tip veze je tzv. Dipol-dipolno privlačenje, odnosno Kizomove sile. Dobile su naziv po matematičaru Viljemu Hendriku Kizomu, koji ih je prvi put matematički opisao 1921. Naime, izračunao je srednju energiju međudejstva između molekula koji poseduju dipolne momente i nalaze se na izvesnom rastojanju. Uticaj porasta temperature održava se u smanjenju energije interakcije. Uzrok ovome leži u termičkom kretanju molekula – što je temperatura viša, kretanje dipola postaje sve haotičnije, a to dovodi do smanjenja interakcije između molekula. Došao je do zaključka da dipolni molekuli poseduju spoljašnje električno polje, koje je, naravno, mnogo slabije od električnog polja jona, ali je ipak dovoljno snažno da zbog njega dolazi do međusobnog privlačenja dipolnih molekula.

            Naredni slučaj je da se u istom sistemu nađu jedni pored drugih polarni i nepolarni molekuli. Polarni molekuli, pošto poseduju stalni dipol, mogu indukovati dipole u nepolarnim molekulima dejstvom svog električnog polja, i to je tzv. dipol-indukovani dipol veza. Do pojave indukovanog dipola dolazi zato što stalni dipol svojim električnim poljem pomeri elektronski oblak nepolarnog molekula, čime nastaje dipol koji iščezava kada prestane dejstvo električnog polja, pa se zato naziva indukovanim dipolom.

            Indukovani dipol ima dipolni momenat µ=αE, gde je α električna polarizabilnost molekula (C²m/N), a E je jačina električnog polja. Polarizabilnost predstavlja sklonost ka polarizaciji i deformaciji anjona od strane katjona. (Pozitivno naelektrisani katjon privlači elektronski oblak anjona i istovremeno odbija njegovo pozitivno naelektrisano jezgro.) Iz izraza za polarizabilnost molekula sledi da je polarizabilnost molekula jednaka dipolnom momentu koji bi prouzrokovao električno polje. Interakcija između molekula koji ima dipolni momenat µ i koji je okružen na rastojanju r molekulima čija se polarizabilnost α ispoljava se formulom za Debajevu energiju, iz koje se vidi da je energija obrnuto proporcionalna šestom stepenu rastojanja.

            Za razliku od Kizomove, Debajeva energija ne zavisi od temperature, zato što dipolni momenat može biti indukovan trenutno, tako da na vrednost energije ne može da utiče termičko kretanje molekula.

            Van der Valsove sile opažaju se i između molekula koji su nepolarni, tj. nemaju dipolni momenat (Kizomove i Debajeve sile su tad jednake nuli). Eksperimenti su pokazali da veze između nepolarnih molekula mogu biti isto toliko jake kao i između polarnih.

            Ovu pojavu objasnio je London. Prema savremenoj teoriji atoma i molekula, sve supstance poseduju neku najnižu vrednost energije poznatu pod imenom energija nulte tačke, što znači da se i na temperaturi apsolutne nule poseduje izvesna energija, po kvantnomehaničkoj teoriji. Zbog ovog kretanja može se desiti da u bilo kom atomu u molekulu dođe do nepodudarnosti centara pozitivnog i negativnog naelektrisanja, tj. da nastane dipol. Pravac nastalog dipolnog momenta menjaće se vrlo brzo, kako osciluju elektroni, i uzimajući srednju vrednost za veliki broj atoma, neće postojati neki određeni pravac za razdvajanje naelektrisanja, pa je ukupni dipolni momenat sistema jednak nuli. Međutim, privremeno nastali dipol u jednom atomu može da indukuje dipol u drugom, pa dolazi do njihovog međudejstva. Energija koja odgovara ovakvom dejstvu poznata je pod imenom disperziona energija, a sile koje joj odgovaraju su disperzione sile. Te sile dovoljne su da drže zajedno nepolarne molekule.

            Londonova energija je obrnuto proporcionalna šestom stepenu rastojanja među molekulima.

            Van der Valsovoj privlačnosti suprotstavljaju se odbojne sile, tzv. Borove sile, do kojih dolazi kada se molekuli približavaju i kada dođe do međusobnog odbijanja popunjenih molekulskih orbitala (elektrona istih spinova). Smanjenjem razmaka među molekulima odbojne sile vrlo brzo rastu. Izmereno je da odbojne sile rastu obrnuto proporcionalno dvanaestom stepenu rastojanja među molekulima.

            Među molekulima uvek vladaju privlačno-odbojne sile, ali one moraju da se nađu u izvesnoj ravnoteži, tj. rastojanju na kojem su privlačne i odbojne sile jednake, da bi supstance postojale u obliku u kojem postoje.

            Kao specifičan tip dipol-dipol veze jesu vodonične veze. Njihova sila predstavlja najjaču međumolekulsku silu. Javlja se između atoma vodonika vezanog za kiseonik, azot ili fluor, i elektronegativnog atoma. Vodonikov atom na taj način premošćuje dva atoma, pa se vodonikova veza naziva i vodonikov most. Za razliku od Van der Valsovih sila, one su dovoljno snažne da deluju i u čvrstoj fazi, a često se očuvaju i u gasnoj. Vodonikove veze vode ostaju i kad se ona zaledi. One ne samo da povezuju molekule u čvrsto stanje, već drže molekule na određenim udaljenostima, i zato led ima manju gustinu od vode. Usled toga, najpre se smrzavaju gornji slojevi bara i okeana, i time se izoluju donji slojevi i život u vodi nije onemogućen.

            Jačina ove veze je oko 40 kJ/mol, i, za razliku od Van der Valsovih sila, ona ima određenu orijentaciju.

            Amonijak, voda i fluorovodonik imaju nagli porast tačke ključanja u odnosu na jedinjenja ostalih članova pete, šeste i sedne grupe. Da ne postoje neke dodatne veze, i da među svim tečnostima vladaju samo Van der Valsove sile, porast bi bio postepen. Međutim, među njima postoje molekulske sile, i to takve u kojima je vodonični atom kovaletno vezan za atom elementa visoke elektronegativnosti. To znači da elektronski par koji obrazuje vezu skoro u potpunosti pripada atomu visoke elektronegativnosti. U takvim jedinjenjuima, kad se u njima nalazi vodonik, njegov atom predstavlja skoro proton smešten na jednom kraju σ-veze. Par elektrona elementa sa visokom elektronegativnošću može da bude vezan elektrostatički za izuzetno pozitivno naelektrisan ,,proton’’ u susednom molekulu, čime se ostvaruje vodonična veza.

            Drugi atomi, sem vodoničnog, ne mogu da obrazuju tip vodonične veze, zato što imaju oko jezgra unutrašnje ljuske elektrona, koje uslovljavaju jako odbijanje između njih i elektrona susednih molekula.

            Vodonična veza može se ostvariti i u jednom jedinom molekulu kada dolazi do spajanja dve grupe atoma, pri čemu nastaje prsten. Takva veza naziva se intramolekularna veza. Takav slučaj javlja se kod nikl-dimetilglioksima.

            Vodonična veza javlja se i u dezoksiribonukleinskoj kiselini, veoma važnom jedinjenju za pravilno funkcionisanje živih bića. U njegovom molekulu postoje četiri baze-adenin, guanin, timin i citozin. Adenin je sa timinom povezan dvema vodoničnim vezama, a guanin sa citozinom trima vezama.

            Oblik snežnih pahuljica uslovljen je upravo vodoničnim vezama. Naime, u tečnoj vodi, temperatura molekula vode viša je nego u ledu.  Međutim, kad se voda zamrzne, interakcija između molekula vode (vodonična veza) prevagne nad toplotnim kretanjem i tad formiraju najstabilniju strukturu-heksagonalno simetričan molekul. (U toku kristalizacije, molekuli vode grupišu se do maksimalnih privlačnih sila i minimalnih odbojnih.) Pahuljice nikada nisu iste, i to zbog različitih uslova u kojima nastaju, ali su uvek šestokrake.