توصیف نیروهای بین مولکولی با مثال‏ها

نیروهای بین مولکولی به منظور ایجاد مولکول‏های به هم چسپیده مورد نیاز می‏باشد، و آن‏ها دلیل این موضوع هستند که چرا ترکیبات با خواص شیمیایی مختلف، خواص فیزیکی متفاوتی دارند. هدف این مقاله مطرح کردن مفهوم نیروهای بین مولکولی مختلف همراه با برخی مثال‏ها جهت درک بهتر این مفهوم می‏باشد.

مثال‏هایی از نیروهای بین مولکولی

نیروهای بین مولکولی به عنوان نیروهای جاذبه یا دافعه‏ای هستند که ممکن است بین مولکول‏هایی که در مجاورت یکدیگر قرار دارند، وجود داشته باشد. این نیروها مسئول خواص فیزیکی مانند نقطه‏ی جوش، نقطه‏ی ذوب، چگالی، فشار بخار، ویسکوزیته، کشش سطحی و حلالیت ترکیبات می‏باشند. این نیروها بسیار ضعیف‏تر از نیروهای درون مولکولی یا بین اتمی می‏باشند. نیروهای بین اتمی یا درون مولکولی بین اتم‏ها عمل کرده و منجر به تشکیل پیوندهای شیمیایی می‏گردند.
نیروهای بین مولکولی می‏توانند به دو نوع اصلی طبقه‏بندی گردند.

تعاملات دوقطبی- دو قطبی

نیروهای واندر والسی

این تعاملات به واسطه ی توزیع غیر یکنواخت الکترون‏ها در مولکول می‏باشد. این نیروها منجر به بار مثبت جزئی و بار منفی جزئی در یک مولکول شده که در کل خنثی می‏باشد. مولکول‏های قطبی تمایل دارند که بخش مثبت مولکول به بخش منفی مولکول نزدیک شود، به طوری که حداقل دافعه و حداکثر جاذبه بین مولکول‏ها ایجاد شود.
تعاملات دو قطبی – دو قطبی می‏تواند به سه نوع دسته‏بندی گردد:
نیروهای یونی – دو قطبی

نیروهای دوقطبی ناشی از یون

نیروهای یونی – دوقطبی
نیروی جاذبه‏ی بین مولکول قطبی و یک یون که ممکن است در مجاورت آن نهفته باشد، نیروی یونی – دو قطبی نامیده می‏شود.
هنگامی که کلرید سدیم در آب حل شد، به یون های سدیم و کلر جداسازی می‏گردد، نیروی جاذبه که ممکن است بین سدیم و اکسیژن آب وجود داشته باشد، چیزی جز نیروی یونی – دوقطبی نیست. این‏ها به واسطه‏ی این نیروی جاذبه بوده که مولکول قطبی در یک حلال قطبی مانند آب حل می‏گردد.

نیروهای دو قطبی ناشی از یون

نیروی بین یک مولکول غیر قطبی و یک یون که می تواند در مجاورت آن نهفته باشد، نیروی دوقطبی ناشی از یون نامیده می شود. در این، یون می‏تواند الکترون موجود در مولکول غیر قطبی را جذب یا دفع کند و یک مولکول غیر قطبی را به یک دوقطبی موقت تبدیل کند.
مثال
هموگلوبین یک پروتئین موجود در سلول‏های قرمز خون می‏باشد و عملکرد آن حمل خون اکسیژن‏دار به بخش‏های مختلف بدن می‏باشد. یک یون آهن در مرکز ساختار پروتئین آن قرار دارد. این یون آهن توسط نیروی دوقطبی ناشی از یون اکسیژن را جذب می‏کند.

پیوند هیدروژنی در آب

نیروی جاذبه‏ی بین جفت الکترون در یک اتم الکترونگاتیو (اتم‏ها در پیوند کوالانسی که تمایل به کشیدن جفت الکترون‏های مشترک به سمت خودشان دارند) و یک اتم هیدروژن با پیوند کوالانسی به نیتروژن، فلور یا اکسیژن متصل شده که پیوند هیدروژنی نامیده می‏شود. اتم هیدروژن به نیتروژن، فلور یا اکسیژن متصل شده و همه‏ی این اتم ها الکترونگاتیوتر از هیدروژن هستند. آن‏ها تمایل به کشیدن جفت الکترون مشترک به سمت خودشان و توسعه‏ی بار مثبت دارند. از طرف دیگر، اتم هیدروژن یک بار مثبت را بر روی خود توسعه می‏دهد.
مثال
در آب، یک پیوند هیدروژنی بین اکسیژن الکترونگاتیو یک مولکول آب و اتم هیدروژن مولکول دیگر آب وجود دارد. این‏ها غالب‏ترین نیروهای بین مولکولی موجود در آب می‏باشند.
در آمونیاک، یک پیوند هیدروژنی بین جفت الکترون تنهای نیتروژن یک مولکول آمونیاک و اتم هیدروژن مولکول آمونیاک دیگر وجود دارد. در این‏جا، نیتروژن تنها یک جفت الکترون تنها داشته، در حالی که در اکسیژن، دو جفت الکترون تنها وجود دارد. بنابراین، قدرت پیوند هیدروژنی در آب بسیار بیشتر از آن در مقایسه با آمونیاک می‏باشد.

نیروهای واندر والسی

نیروهای واندر والسی معمولا نیروهای جاذبه و دافعه‏ای هستند که ممکن است بین مولکول‏ها و سطوح وجود داشته باشد. آن‏ها ضعیف‏تر از پیوند هیدروژنی می‏باشند. این نیروها وابسته به جهت‏گیری مولکول می‏باشد. معمولا، آن‏ها نیروهای ضعیف جاذبه‏ای هستند که بین مولکول‏های خنثی وجود دارند. این نیروها می‏توانند در مسافت‏های طولانی‏تر در مقایسه با دیگر نیروهای جاذبه‏ی بین مولکولی عمل کنند. با این حال، این نیروها فراتر از یک فاصله‏ی خاص عمل نمی‏کنند.
هنگامی که مولکول‏ها نزدیک‏تر می‏شوند، نیروهای واندر والسی جاذبه افزایش می‏یابند، تا زمانی که آن‏ها به یک سطح خاص از نزدیکی می‏رسند که فاصله‏ی تماس واندر والس نامیده می‏شود.
نیروهای واندر والسی در مولکول‏هایی که نیروهای بین مولکولی دیگر در آن ها وجود ندارد، غالب می‏باشد. آن‏ها می‏توانند به سه نوع دیگر طبقه‏بندی شوند:
تعاملات کسوم
نیروی دبای
نیروی پراکندگی لاندن
تعاملات کسوم
این تعاملات بین دوقطبی‏ها‏ی دائمی رخ می‏دهد که می‏تواند یا یون‏های مولکولی، دو قطبی (مولکول‏های قطبی) یا چهار قطبی (به عنوان مثال در CCl4، الکترون‏های اتم کربن کشش برابری را در همه‏ی جهات تجربه می‏کنند و بنابراین مولکول غیر قطبی می‏باشد) باشند. این مولکول‏ها تمایل به جهت‏یابی به گونه‏ای دارند که بخش مثبت مولکول نزدیک به بخش منفی مولکول می‏باشد، بنابراین، حداقل دافعه و حداکثر جاذبه بین مولکول‏ها وجود دارد. این تعاملات وابسته به دما می باشد. آن‏ها تمایل به داشتن هر دو نیروهای جاذبه و دافعه که ممکن است بین دو مولکول وجود داشته باشند، دارند.
مثال
هیدروکلریدریک اسید (HCl) یک مولکول قطبی می‏باشد. هنگامی که دو مولکول به هم نزدیک‏تر می‏شوند، آن‏ها تمایل به جهت‏یابی به گونه‏ای دارند که حداکثر نیروی جاذبه و حداقل نیروی دافعه بین آن‏ها وجود داشته باشد.
نیروی دبای
این تعاملات بین دوقطبی‏ دائمی و دو قطبی‏های القاء شده رخ می‏دهد. به عبارت دیگر، تعاملاتی می‏باشد که بین یک مولکول قطبی و یک مولکولی که می‏تواند در حضور مولکول قطبی، قطبی گردد، اتفاق می‏افتد. سهولت قطبی شدن مولکول‏ها با اندازه‏ی الکترون و بنابراین، اندازه‏ی مولکول افزایش می‏یابد. مولکول قطبی تمایل به تغییر (معمولا دفع) ابر الکترون مولکول‏های غیر قطبی به یک طرف دارد، که قطبیت القاء شده افزایش می‏یابد. دوباره، مولکول‏ها تمایل به جهت‏یابی به گونه‏ای دارند که حداکثر نیروی جاذبه بین مولکول‏ها وجود داشته باشد. نیروی دبای معمولا تنها برای نیروهای جاذبه‏ ی عمل کننده بین مولکول‏ها می‏باشد.
مثال
آرگون و HCl: HCl مولکول‏های قطبی می‏باشند. هنگامی که اتم آرگون غیر قطبی و هیدروژن کلرید نزدیک‏تر می‏شوند، بخش منفی هیدروکلریدریک اسید ابر الکترون را دفع می‏کند، که سپس به طرف اتم تغییر می‏کند و آرگون القاء شده به قطبی موقت تبدیل می‏شود. جهت‏ یابی مولکول‏ها به گونه‏ای می‏باشد که حداکثر جذب و حداقل دفع بین مولکول وجود داشته باشد.
نیروی پراکندگی لاندن
این نوع از نیروها ناشی از دوقطبی لحظه‏ای بوده که ممکن است در اتم‏های مولکول‏ها به واسطه‏ی حرکت الکترون‏ها ایجاد شود. از آن‏جایی که الکترون‏ها در اتم‏ها در حرکت مداوم هستند، ممکن است هنگامی که اکثر الکترون‏ها به یک سمت از ابر الکترونی حرکت می‏کنند، باعث ایجاد یک دوقطبی لحظه‏ای گردند. هنگامی که دو تا از چنین قطبی‏های لحظه‏ای به هم نزدیک می‏شوند، جاذبه بین مولکول‏ها ایجاد می‏شود. این نیروی جاذبه چیزی جز نیروی پراکندگی لاندن نیست. این ضعیف‏ترین نیروها در بین تمام نیروهای موجود می‏باشد، اما تقریبا در اکثر مولکول‏ها و اتم‏ها وجود دارد.
مثال
Ne و Ne: هنگامی که دو تا دوقطبی لحظه‏ ای نئون به هم نزدیک می‏شوند، یک نیروی جاذبه وجود دارد که بین آن‏ها عمل می‏کند.
مثالی از نیروی بین مولکولی
نیروی بین مولکولی در متان
متان یک مولکول غیر قطبی متقارن می‏باشد، و بنابراین تنها نیروی پراکندگی لاندن را نشان می‏دهد.