1

ΣΚΟΠΟΣΣκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι να γνωρίσουμε ταείδη των ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονταιμεταξύ των μορίων των ομοιοπολικών ενώσεων καιτην επίδραση που ασκούν οι δυνάμεις αυτές στιςφυσικές ιδιότητες των ενώσεων.

6. ∆ιαμοριακές δυνάμεις

2

Προσδοκώμενα αποτελέσματα

Όταν θα έχετε μελετήσει αυτό το κεφάλαιο, θα μπορείτε να:

∆ιαπιστώνετε εύκολα, αν ένα δεδομένο μόριο είναι πολικό ήόχι.Σχεδιάζετε διπολικές ροπές και να συγκρίνετε μόρια ως προς

τη διπολική ροπή τους.Υπολογίζετε τα μερικά φορτία που φέρνουν τα άτομα

πολικών μορίων.Ξεχωρίζετε έννοιες όπως, δυνάμεις London, δυνάμεις

διπόλου – διπόλου, δυνάμεις van der Waals, δεσμόςυδρογόνου και να δίνετε σχετικά παραδείγματα.Συσχετίζετε διαμοριακές δυνάμεις με φυσικές ιδιότητες.Εξηγείτε γιατί το νερό είναι υγρό σε συνηθισμένες

θερμοκρασίες και γιατί τα παγόβουνα επιπλέουν στουςωκεανούς και δεν … βουλιάζουν.

6. ∆ιαμοριακές δυνάμεις

3

6. ∆ιαμοριακές δυνάμεις

Έννοιες κλειδιά

∆εσμός υδρογόνου∆ιαμοριακές δυνάμεις∆ιπολική ροπή∆ίπολο∆ίπολο εξ επαγωγής∆υνάμεις διπόλου – διπόλου∆υνάμεις London (ή διασποράς)∆υνάμεις van der Waals∆υνάμεις ιόντος– διπόλουΠολικό μόριοΠολικότηταΠολωσιμότηταΣτιγμιαίο δίπολο

4

6. ∆ιαμοριακές δυνάμεις

Ebbing: Ενότητες 10.2 και 11.56.1 Μοριακή γεωμετρία και πολικότητα μορίων6.2 ∆ιαμοριακές δυνάμεις6.3 ∆εσμός υδρογόνου

5

Πολικά μόρια και διπολική ροπή

Παράδειγμα Η–Cl χCl = 3,0 χΗ = 2,1 ⇒ ∆χ = 0,9

∆ιπολική ροπή (μ): ένα διανυσματικό μέγεθος που μετράποσοτικά το διαχωρισμό φορτίων σε ένα μόριο

μ = δ rr = η απόσταση ανάμεσα στα μερικά φορτία δ+ και δ–

Μονάδα μέτρησης διπολικής ροπής1 debye (D) = 3,34 × 10–30 C·m (coulomb ⋅ meter)

H Cl

πολωμένος δεσμός

δ+ δ

πολικό μόριοClHή

Ηλεκτραρνητικότητα: μέτρο της ικανότητας ενός ατόμου πουβρίσκεται σε μόριο να έλκει προς το μέρος του δεσμικά e.

Κάθε μόριο ΑΒ, για το οποίο∆χ ≠ 0, είναι πολικό

6

Άσκηση 6.1Υπολογισμός μερικών φορτίων δ+ και δ–Το μήκος του δεσμού στο μόριο ΗF είναι 0,92 Å. Το ΗF έχειδιπολική ροπή ίση με 1,82 D. Υπολογίστε (σε μονάδες e) ταμερικά φορτία των ατόμων Η και F.

Θα χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση ορισμού της διπολικήςροπής μ = δ r, την οποία θα λύσουμε ως προς το μερικό φορτίοδ. Πρώτα θα μετατρέψουμε τα debye σε Coulomb × meter (Cm). 1 D = 3,34 × 10–30 Cm ⇒ 1,82 D = 1,82 × 3,34 × 10–30 Cm = 6,08 × 10–30 CmΕπίσης, 0,92 Å = 92 × 10–12 m

3020

-12

6,08 10 C m 6,61 10 C92 10 mr

μδ

−−×

= = = ××

7

Επειδή το φορτίο του ηλεκτρονίου (e) είναι 1,60 × 10–19 C, το φορτίο δ σε μονάδες e θα είναι

20

19

6,61 10 C 0,413 1,60 10 C/

ee

δ−

−

×= =

×

Ο διαχωρισμός των φορτίων στο μόριο HF παριστάνεται ωςεξής:

H F+0,413 e 0,413 e

Άσκηση 6.1

8

Μέτρηση της διπολικής ροπήςΠροσανατολισμός πολικών μορίων(Α) χωρίς ηλεκτρικό πεδίο

(Α)

(Β)

Τα μη πολικά μόρια δεν επηρεάζονται απόηλεκτρικά πεδία. Τα πολικά μόρια, μπορούν καιπροσανατολίζονται μέσα σε ένα ηλεκτρικόπεδίο: τα αρνητικά τους άκρα στρέφονταιπρος τη θετική πλάκα, ενώ τα θετικά άκραπρος την αρνητική πλάκα.Αυτός ο προσανατολισμός των μορίωνεπηρεάζει τη χωρητικότητα τωνφορτισμένων πλακών.Μετρήσεις της χωρητικότητας πλακών μεδιάφορες ουσίες ανάμεσά τους, μπορούννα χρησιμοποιηθούν για την εύρεση τωνδιπολικών ροπών αυτών των ουσιών.

(Β) εντός ηλεκτρικού πεδίου

9

∆ιάκριση ενός πολικού υγρού από ένα μη πολικό

Το τετραχλωρίδιο τουάνθρακα, CCl4, είναι ένα μηπολικό υγρό και δεν έλκεταιπρος τη γυάλινη ράβδο.

Το νερό είναι ένα πολικόυγρό και γι' αυτό έλκεταιπρος την ηλεκτρικάφορτισμένη ράβδο.

Ηλεκτρικάφορτισμένηράβδος

10

μολ_

HH

O

Μοριακή γεωμετρία και πολικότητα μορίων

Το μόριο Η2Ο είναικεκαμμένο. Οι επιμέρους διπολικέςροπές των δεσμών Ο–Ηδίνουν συνισταμένηδιπολική ροπή μολ ≠ 0⇒ μόριο πολικόΠειραματικά: μ(Η2Ο) = 1,94 D

Το μόριο CCl4 είναιτετραεδρικό. Οι επιμέρους διπολικέςροπές των δεσμών C–Clδίνουν συνισταμένηδιπολική ροπή μολ = 0⇒ μόριο μη πολικό

CCl

Cl

ClCl

μολ = 0

11

Γενικά, όλα τα μόρια του τύπου ΑΒn (n = 2−6) είναι, λόγωσυμμετρίας, μη πολικά, παρά την ύπαρξη επιμέρουςδιπολικών ροπών των δεσμών A−B.

Πολυατομικά μόρια των τύπων ABnEm (όπου Ε τα μονήρηζεύγη ηλεκτρονίων κεντρικού ατόμου Α) είναι πολικά.

Εξαίρεση αποτελούν τα μόρια του γενικού τύπου ΑΒ2Ε3 πουείναι γραμμικά, όπως π.χ. το XeF2. Επίσης, τα μόρια του γενικού τύπου ΑΒ4Ε2, που είναιεπίπεδα τετραγωνικά, όπως π.χ. το XeF4.

Συμπερασματικά: Για να πούμε αν ένα πολυατομικό μόριοείναι πολικό ή όχι, θα πρέπει, εκτός από την πολικότητα τωνδεσμών, να λαμβάνουμε υπ’ όψιν και τη μοριακή γεωμετρία.

Μοριακή γεωμετρία και πολικότητα μορίων

12

Άσκηση 6.2Σχέση γεωμετρίας και πολικότητας πολυατομικών μορίωνΠοιο από τα παρακάτω μόρια θα περιμένατε, για λόγουςσυμμετρίας, να έχει διπολική ροπή ίση με μηδέν; Εξηγήστε. (α) SOCl2(β) SiF4(γ) OF2

Για να προβλέψουμε αν ένα μόριο έχει διπολική ροπή(μολ ≠ 0), χρειαζόμαστε τις τιμές ηλεκτραρνητικότητας (χ) τωνατόμων του και, εφόσον το μόριο αποτελείται απόπερισσότερα των δύο ατόμων, χρειαζόμαστε και την ακριβήγεωμετρία του. Τις τιμές χ τις παίρνουμε από πίνακες.

Τη μοριακή γεωμετρία την προσδιορίζουμε βάσει της θεωρίαςVSEPR.

13

Μόρια του τύπου ΑΒn (n = 2 – 6) είναι απολύτως συμμετρικάκαι δίνουν μολ = 0. Μόρια του τύπου ΑΒnΕm (με εξαίρεση τα ΑΒ2Ε3 και ΑΒ4Ε2) είναι μη συμμετρικά και έχουν μολ ≠ 0.Σύμφωνα με τα παραπάνω, θα έχουμε:

ΑΒ3Ετριγωνικόπυραμιδικόμολ ≠ 0

ΑΒ4τετραεδρικόμολ = 0

ΑΒ2Ε2κεκαμμένομολ ≠ 0

Άσκηση 6.2

14

Επίδραση των μονήρων ΗΖ πάνω στη διπολικήροπή

Ερμηνεία της μικρήςδιπολικής ροπής του NF3

Η διπολική ροπή πουοφείλεται στο μονήρες

ΗΖ αντισταθμίζει τιςδιπολικές ροπές των

δεσμών N–F και το μόριοNF3 εμφανίζεται με πολύ

μικρή διπολική ροπή.

Αντίθετα, στο μόριο ΝΗ3, η διπολική ροπή του

μονήρους ΗΖ ενισχύει τιςδιπολικές ροπές των

δεσμών Ν–Η.

μολ = 1,47 D

μολ = 0,2 D

15

∆ιαμοριακές δυνάμεις

Πολλές από τις φυσικές ιδιότητες των υγρών, αλλά καιορισμένων στερεών, μπορούν να ερμηνευθούν με βάση τιςδιαμοριακές δυνάμεις, δηλαδή τις ελκτικές δυνάμεις πουασκούνται μεταξύ μορίων.

Μεταξύ ουδέτερων μορίων υπάρχουν τρεις τύποι ελκτικώνδυνάμεων: οι δυνάμεις διπόλου–διπόλου, οι δυνάμεις διασποράς ή δυνάμεις London καιοι δυνάμεις δεσμών υδρογόνου.

Ο όρος δυνάμεις van der Waals είναι ένας γενικός όρος πουσυμπεριλαμβάνει τις διαμοριακές δυνάμεις διπόλου–διπόλουκαι τις δυνάμεις London.

16

∆υνάμεις διπόλου–διπόλουΗ δύναμη διπόλου–διπόλου είναι

μια ελκτική διαμοριακή δύναμη πουπροκύπτει από την τάση πολικώνμορίων να ευθυγραμμίζονται έτσι

ώστε το θετικό άκρο ενός μορίου ναείναι κοντά στο αρνητικό άκρο ενός

άλλου μορίου.

(Α) Στη στερεά φάση, τα πολικάμόρια τείνουν να ευθυγραμμισθούν

έτσι ώστε τα θετικά άκρα να"βλέπουν" τα αρνητικά.

(Β) Στην υγρή φάση, η συνηθισμένητυχαία κίνηση των μορίωνκαταστρέφει εν μέρει την

ευθυγράμμιση των πολικών μορίωνπου είχαμε στη στερεή φάση.

Στερεό ΗCl

Α

Υγρό ΗCl

Β

17

δ+ δ+δ– δ–

Ne Ne

10+ 10+

∆υνάμεις διασποράς ή δυνάμεις London Προέλευση των δυνάμεων London

Αν το άτομο αυτό βρεθείκοντά σε ένα δεύτερο

άτομο Ne, τότε ταηλεκτρόνια του 2ου

ατόμου απωθούνται. ∆ημιουργείται τότε ένα

στιγμιαίο δίπολο εξεπαγωγής και

εμφανίζεται μια ελκτικήδύναμη ανάμεσά τους(δύναμη διασποράς).

Το ηλεκτρονικό νέφοςτου ατόμου μπορεί ναπαραμορφωθεί έτσιώστε ένα μέρος του

ατόμου να εμφανίζεταιλιγάκι πιο αρνητικό

από το υπόλοιπο καικατά συνέπεια ναδιαθέτει κάποιαδιπολική ροπή

(στιγμιαίο δίπολο).

Η κίνηση τωνηλεκτρονίων στα

άτομα έχει αλλάξειαλλά αυτό γίνεταιταυτόχρονα και

στα δύο άτομα μεαποτέλεσμα τηδιατήρηση της

ελκτικής δύναμηςανάμεσά τους.

δ+ δ–

Ne

10+

δ+ δ+δ– δ–

Ne Ne

10+ 10+

18

∆υνάμεις διασποράς ή δυνάμεις London Οι δυνάμεις διασποράς είναι τόσο μεγαλύτερες όσο υψηλότερη είναι ηπολωσιμότητα των ατόμων ή των μορίων. Πολωσιμότητα: η ευκολία με την οποία μπορεί να παραμορφωθεί οεξωτερικός ηλεκτρονικός φλοιός του ατόμου ή μορίου.Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός ηλεκτρονίων και όσο πιο διάχυτοείναι το ηλεκτρονικό νέφος στο άτομο (ή μόριο), τόσο μεγαλύτερη ηπολωσιμότητά του.Μόρια μεγάλης μοριακής μάζας έχουν και υψηλή πολωσιμότητα. Μόρια συμπαγή και συμμετρικά πολώνονται λιγότερο από μόρια τηςίδιας μοριακής μάζας, τα οποία όμως έχουν «διακλαδώσεις» και γενικάμικρότερη συμμετρία.Επειδή όλα τα μόρια διαθέτουν ηλεκτρόνια, οι δυνάμεις London είναιπανταχού παρούσες, δηλαδή εμφανίζονται σ’ όλα τα μόρια, πολικάκαι μη.Οι διαφορές στην πολωσιμότητα, άρα και στην ισχύ των δυνάμεωνLondon αντικατοπτρίζονται σε αρκετές φυσικές ιδιότητες των ουσιών. (π.χ. σ.ζ. και σ.τ.)

19

Συσχετισμός διαμοριακών δυνάμεων και φυσικών ιδιοτήτωνΠοιο από τα τρία πεντάνια (C5H12) έχει το χαμηλότερο σημείοζέσεως;

Άσκηση 6.3

20

Ενώσεις μη πολικές ⇒ μόνο δυνάμεις London Τα τρία πεντάνια είναι ισομερή (ίδιος μοριακός τύπος, C5Η12, ⇒ ίδιο μοριακό βάρος)∆ιαφέρουν όμως στη διάταξη των ατόμων: τονεοπεντάνιο έχει την πιο συμπαγή διάταξη ατόμων ⇒ οιδυνάμεις London μειώνονται σε ισχύ από το κανονικόπεντάνιο προς το νεοπεντάνιο.∆ηλαδή, τις ασθενέστερες διαμοριακές δυνάμεις έχουμεστο νεοπεντάνιο και άρα αυτό θα έχει το χαμηλότεροσημείο ζέσεως.Πειραματικές τιμές των σ.ζ.: κανονικό πεντάνιο 36,0οC, ισοπεντάνιο 27,9οC και νεοπεντάνιο 9,5οC.

Άσκηση 6.3

21

∆εσμός υδρογόνου

Σύγκριση ιδιοτήτων φθορομεθανίου, CH3F, καιμεθανόλης, CH3OH

CH3F : ΜΒ 34, μ = 1,81 D, σ.ζ. –78οC

CH3OH : MB 32, μ = 1,70 D, σ.ζ. 65οC

CH3F CH3OH

22

Τι κοινό έχουν το νερό, η γλυκερόλη και η μεθανόλη;

νερό γλυκερόλη μεθανόλη

HH O H C C

H

C H

HH

O

H

O

H

O

H

HO

H

H C

H

∆εσμός υδρογόνου

Αυτό που νερό, γλυκερόλη και μεθανόλη έχουν κοινό είναι μίαή περισσότερες ομάδες –ΟΗ.

23

Μόρια που έχουν την ομάδα –ΟΗ υπόκεινται σε μια πρόσθετηελκτική δύναμη που λέγεται δεσμός υδρογόνου. ∆εσμός υδρογόνου είναι μια ασθενής έως μέτρια ελκτική δύναμηη οποία υπάρχει μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου συνδεδεμένουομοιοπολικά με ένα πολύ ηλεκτραρνητικό άτομο, Χ, και ενόςμονήρους ζεύγους ηλεκτρονίων ενός άλλου μικρού, ηλεκτραρνητικού ατόμου, Υ. Ο δεσμός υδρογόνου παριστάνεται με τρεις κουκίδες ανάμεσαστα άτομα Η και Υ.

–Χ–Η · · · Υ– (Χ, Υ = F, O, N)

∆εσμός υδρογόνου

H

H

H

N

H

H O...N N

H

H

H H

H

......H

H OOH

H

HΠ.χ.

24

Η2Ο

HF

NΗ3

CΗ4

Η2SΗ2Se

Η2TeSbΗ3

HI

SnΗ4

GeΗ4

SiΗ4

HBrHCl

PΗ3

AsΗ3

2 3 4 5

Σημείοζέσεως

(οC

)

–200

–100

0

100

Περίοδος

Σημείο ζέσεως έναντι μοριακού βάρους υδριδίων

25

Οι δεσμοί υδρογόνου στο νερό

Τα ηλεκτρόνια των δεσμών Ο–Η στα μόρια Η2Ο έλκονται από τα άτομαοξυγόνου, αφήνοντας τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια εκτεθειμένα.Έτσι, κάθε πρωτόνιο ενός μορίου Η2Ο έλκεται από ένα μονήρες ζεύγοςηλεκτρονίων ενός ατόμου Ο που ανήκει σε γειτονικό μόριο νερού.

Κάθε δεσμόςυδρογόνου

παριστάνεταιαπό τρειςκουκίδες

∆εσμοί υδρογόνου

Μονήρες ΗΖ

H

HO

OH

H

... HH O

...

26

Οι δεσμοί υδρογόνου στο HFΓιατί το HF έχει σχετικά πολύ υψηλό σημείο ζέσεωςΣτο στερεό HF, τα μόρια HF δεν υφίστανται ως μεμονωμένες μονάδες, αλλά ενώνονται το ένα με το άλλο σχηματίζοντας μεγάλου μήκουςαλυσίδες ζιγκ-ζαγκ.

F

HHFF

H H

FFF

HHF... ... ... ......

......Στην υγρή φάση έχουμε θραύση των αλυσίδων αυτών, όμως τα μόριαHF εξακολουθούν να συνδέονται μεταξύ τους μέσω δεσμώνυδρογόνου. Επειδή είναι δύσκολο να διαχωρίσουμε τέτοια συγκροτήματα μορίων(HF)n, το υγρό HF ζέει σε απροσδόκητα υψηλή θερμοκρασία (19,5ο C), ενώ χωρίς τους δεσμούς υδρογόνου το υγρό HF θα είχε κανονικόσημείο ζέσεως χαμηλότερο από –100ο C!!!

27

Γιατί ο πάγος επιπλέει πάνω στο νερό

Κάθε άτομο Οσυνδέεται με 4 άτομα Η.

Οι κενοί χώροιπου παρουσιάζειη δομή του πάγουείναι η αιτία για τημικρότερηπυκνότητα τουπάγου σε σχέσημε το νερό.

= Ο= Η

κενόςχώρος

δεσμός Η

28

∆εσμοί υδρογόνου μεταξύ δύο βιολογικάσημαντικών μορίων (γουανίνη και κυτοσίνη)

Μοντέλο φτιαγμένο απόυπολογιστή που δείχνει τη

σύνδεση μέσω δεσμώνυδρογόνου δύο βιολογικάπολύ σημαντικών μορίων.

Πρόκειται για τη γουανίνηκαι την κυτοσίνη, δύο από

τις τέσσερις βάσεις πουχρησιμοποιούνται ως

κώδικες στο DNA.

∆εσμός Η

29

∆εσμός υδρογόνου και φυσικές ιδιότητες ουσιώνΗ αιθυλενογλυκόλη (CΗ2ΟΗCΗ2ΟΗ) είναι ένα ελαφρά ιξώδεςυγρό που βράζει στους 198οC. Το πεντάνιο (C5Η12), το οποίοέχει περίπου το ίδιο μοριακό βάρος με την αιθυλενογλυκόλη, είναι ένα μη ιξώδες υγρό που βράζει στους 36οC. Εξηγήστε τιςδιαφορές στα φυσικά χαρακτηριστικά των δύο αυτών ενώσεων.

Παραπλήσιο Μ.Β. ⇒ περίπου ίδιας ισχύος δυνάμεις London.Όμως, τα μόρια της αιθυλενογλυκόλης είναι σε θέση, λόγω τωνομάδων –ΟΗ, να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου μεταξύ τους, ενώ τα μόρια του πεντανίου όχι.Επίσης, στην αιθυλενογλυκόλη έχουμε και δυνάμεις διπόλου-διπόλου.Οι ισχυρότερες διαμοριακές δυνάμεις που έχουμε στηναιθυλενογλυκόλη αντικατοπτρίζονται στη μεγαλύτερηαντίσταση στη ροή (ιξώδες) και στο υψηλότερο σ.ζ.

Άσκηση 6.4