Oddziaływania międzycząsteczkowe - To jest chemia 1 (ZR)

1.Oddziaływania międzycząsteczkowe

Przyciąganie lub odpychanie się cząsteczek albo atomów, które nie są połączone wiązaniami chemicznymi (inaczej oddziaływania molekularne). Ich energia jest 10-100 razy niższa od energii wiązań kowalencyjnych. Należą do nich m.in. wiązania wodorowe, siły van der Waalsa i oddziaływania dipol-dipol.

2.Wiązanie wodorowe (mostek wodorowy)

Oddziaływanie między atomem wodoru związanym z małym atomem silnie elektroujemnego pierwiastka (np. $\ce{O}$, $\ce{N}$, $\ce{F}$) a atomem pierwiastka o dużej elektroujemności, który ma wolną parę elektronową. Takimi atomami są azot (3,0; 1 wolna para), tlen (3,4; 2 wolne pary) i fluor (4,0; 3 wolne pary).

3.Zapis wiązania wodorowego

We wzorach strukturalnych wiązanie wodorowe zaznacza się linią kropkowaną, a wiązanie kowalencyjne - kreską, np. $\ce{H-F}\cdots\ce{H-F}$. Atomy tworzące wiązanie wodorowe mogą należeć do różnych cząsteczek albo do tej samej cząsteczki.

4.Asocjacja cząsteczek

Łączenie się cząsteczek w większe zespoły, do którego prowadzi powstawanie wiązań wodorowych. Choć wiązanie wodorowe jest ok. 10 razy słabsze od kowalencyjnego, asocjacja wyraźnie zmienia właściwości substancji: rozpuszczalność, gęstość, temperaturę wrzenia i temperaturę topnienia.

5.Wiązania wodorowe a temperatury wrzenia i rozpuszczalność

Związki, których cząsteczki tworzą międzycząsteczkowe wiązania wodorowe, mają wyższe temperatury topnienia i wrzenia oraz lepiej rozpuszczają się w wodzie niż związki o zbliżonej masie cząsteczek, które takich wiązań nie tworzą. Dlatego woda i fluorowodór wrą w znacznie wyższej temperaturze niż pozostałe związki wodoru z pierwiastkami ich grup.

6.Występowanie i znaczenie wiązań wodorowych

Tworzą się m.in. między cząsteczkami wody, amoniaku $\ce{NH3}$ i fluorowodoru $\ce{HF}$ oraz alkoholi, kwasów karboksylowych, aminokwasów i białek. Odgrywają decydującą rolę w tworzeniu przestrzennych struktur białek i kwasów nukleinowych, a wiązania wodorowe między łańcuchami celulozy wpływają na wytrzymałość drewna.

7.Wiązania wodorowe w wodzie

Występują między cząsteczkami $\ce{H2O}$ zarówno w ciekłym, jak i w stałym stanie skupienia. Każda cząsteczka wody może utworzyć wiązania wodorowe z czterema sąsiednimi cząsteczkami: jej atom tlenu ($\delta^{-}$) przyciąga atomy wodoru ($\delta^{+}$) sąsiadów, a jej atomy wodoru - atomy tlenu sąsiadów.

8.Nietypowe właściwości wody

Wynikają z wiązań wodorowych: woda zwiększa objętość podczas zamarzania, więc lód pływa po wodzie; ma bardzo wysokie temperatury topnienia (0 °C) i wrzenia (100 °C pod ciśnieniem 1013 hPa) w porównaniu ze związkami o zbliżonej masie cząsteczkowej; ma największą gęstość w 4 °C; ma wysoką pojemność cieplną i wysokie napięcie powierzchniowe.

9.Budowa i gęstość lodu

W lodzie wiązania wodorowe są ułożone regularnie i są dłuższe niż w wodzie ciekłej (tam są ułożone nieregularnie), dlatego lód ma luźną strukturę. Podczas zamarzania woda zwiększa objętość o ok. 9%, więc gęstość lodu ($0{,}92~\mathrm{g/cm^3}$ w 0 °C) jest mniejsza niż wody ($1{,}00~\mathrm{g/cm^3}$ w 4 °C) i lód pływa po wodzie.

10.Największa gęstość wody w 4 °C

Woda ma największą gęstość w temperaturze 4 °C. Dzięki temu zimą woda o tej temperaturze zalega w niższych partiach zbiorników pod warstwą lodu, dno zbiornika pozostaje niezamarznięte, a organizmy wodne mogą przetrwać.

11.Pojemność cieplna

Wielkość fizyczna oznaczająca ilość ciepła potrzebną do zmiany temperatury o 1 °C. Woda ma wysoką pojemność cieplną, więc zbiorniki wodne wolno się nagrzewają i równie wolno ochładzają, a wahania temperatury w środowisku wodnym są znacznie mniejsze niż na lądzie.

12.Napięcie powierzchniowe wody

Woda ma wysokie napięcie powierzchniowe: na jej warstwę powierzchniową oddziałują cząsteczki z głębi cieczy, więc zachowuje się ona jak sprężysta, napięta błona. Dzięki temu na powierzchni wody mogą się utrzymywać niewielkie przedmioty i organizmy.

13.Siły van der Waalsa

Słabe oddziaływania krótkiego zasięgu, które występują między cząsteczkami niepolarnymi. Są częściowo odpowiedzialne za stan skupienia substancji i odgrywają istotną rolę w makrocząsteczkach, np. w polimerach, oraz w skroplonych gazach, np. wodorze i tlenie.

14.Siły van der Waalsa w graficie

W sieci krystalicznej grafitu warstwy zbudowane z sześcioczłonowych pierścieni atomów węgla są połączone słabymi siłami van der Waalsa. Warstwy łatwo przesuwają się względem siebie, dlatego grafit ściera się i zostawia ślad, np. na papierze.

15.Oddziaływania dipol-dipol

Oddziaływania między trwałymi ładunkami cząstkowymi sąsiadujących ze sobą cząsteczek polarnych (trwałych dipoli), którymi są zwykle cząsteczki z wiązaniami kowalencyjnymi spolaryzowanymi. Im silniejsze są te oddziaływania, tym wyższe temperatury topnienia i wrzenia substancji.

16.Wpływ oddziaływań międzycząsteczkowych na właściwości fizyczne

Wiązania wodorowe wpływają m.in. na rozpuszczalność, gęstość, temperaturę wrzenia i temperaturę topnienia substancji. Siły van der Waalsa wpływają m.in. na stan skupienia substancji.

17.Kryształ i sieć krystaliczna

Kryształ - substancja stała o uporządkowanych w przestrzeni elementach składowych. Regularne powtarzanie się w przestrzeni jonów, atomów lub cząsteczek tworzy sieć krystaliczną. Decydujący wpływ na właściwości substancji mają wiązania chemiczne i oddziaływania międzycząsteczkowe.

18.Rodzaje kryształów

Ze względu na rodzaj oddziaływań między cząstkami wyróżnia się kryształy: jonowe (kationy i aniony połączone silnymi wiązaniami jonowymi), cząsteczkowe, czyli molekularne (cząsteczki lub atomy połączone oddziaływaniami międzycząsteczkowymi), kowalencyjne (atomy połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi) i metaliczne (zręby atomowe i elektrony zdelokalizowane na całą sieć).

19.Kryształy cząsteczkowe (molekularne)

Tworzą je w stałym stanie skupienia substancje o wiązaniach kowalencyjnych. Składają się z odrębnych cząsteczek, które tworzą sieć dzięki siłom międzycząsteczkowym, dlatego mają niską temperaturę topnienia oraz małą twardość i wytrzymałość. Przykłady: siarka $\ce{S8}$, jod $\ce{I2}$, zestalony $\ce{CO2}$, lód, helowce w stałym stanie skupienia.

20.Kryształy kowalencyjne

Zbiór atomów połączonych w jedną sieć wiązaniami kowalencyjnymi, np. diament, tlenek krzemu(IV) $\ce{SiO2}$, krzem, german, bor. W diamencie każdy atom węgla jest połączony wiązaniami kowalencyjnymi z czterema innymi atomami węgla.

21.Właściwości kryształów kowalencyjnych

Na ogół nie przewodzą prądu elektrycznego, zazwyczaj nie dysocjują na jony, słabo rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak woda czy alkohole, i topią się w bardzo wysokich temperaturach. Mają też dużą twardość i dużą wytrzymałość mechaniczną.

22.Szybkość reakcji substancji kowalencyjnych i jonowych

Substancje o wiązaniach kowalencyjnych reagują z innymi substancjami zwykle powoli, bo mocne wiązania kowalencyjne trudno rozerwać. Reakcje między jonami w wodnych roztworach substancji jonowych zachodzą bardzo szybko.

23.Kryształy jonowe

Tworzą je w stałym stanie skupienia substancje o wiązaniach jonowych. Nie ma w nich cząsteczek ani atomów, lecz naprzemiennie ułożone jony dodatnie i ujemne. Do związków jonowych należą m.in. niektóre tlenki, wodorotlenki i sole, np. $\ce{CaO}$, $\ce{LiOH}$, $\ce{KNO3}$, $\ce{NH4Cl}$.

24.Sieć krystaliczna chlorku sodu

Każdy kation $\ce{Na+}$ jest otoczony sześcioma anionami $\ce{Cl-}$, a każdy anion $\ce{Cl-}$ sąsiaduje z sześcioma kationami $\ce{Na+}$. Stosunek liczby kationów do anionów jest więc taki jak we wzorze soli, czyli 1 : 1.

25.Właściwości związków jonowych

Dobrze rozpuszczają się w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych, a słabo w niepolarnych; są substancjami krystalicznymi; mają wysokie temperatury topnienia, bo do zniszczenia ich sieci krystalicznej potrzeba dużo energii. Mają dużą wytrzymałość mechaniczną i średnią twardość.

26.Rozpuszczanie związku jonowego w wodzie

Polarne cząsteczki wody otaczają jony na powierzchni kryształu: do kationów zwracają się biegunem ujemnym (atomem tlenu), a do anionów - biegunem dodatnim (atomami wodoru). Osłabia to wiązanie jonowe i jony przechodzą do roztworu, np. jony $\ce{K+}$ i $\ce{I-}$ z kryształu jodku potasu.

27.Przewodzenie prądu przez związki jonowe

Kryształy jonowe nie przewodzą prądu elektrycznego, bo jony są w nich związane w sieci krystalicznej. Po stopieniu (ogrzewanie uwalnia jony z sieci) lub po rozpuszczeniu w wodzie jony mogą się przemieszczać i są nośnikami ładunku, więc substancja dobrze przewodzi prąd.

28.Substancje o wiązaniach metalicznych

Metale i stopy metali, np. sód, żelazo, glin, mosiądz. Ich właściwości wynikają z obecności w sieci krystalicznej elektronów zdelokalizowanych, które w postaci gazu elektronowego przemieszczają się między dodatnio naładowanymi zrębami (rdzeniami) atomowymi, czyli atomami metali pozbawionymi elektronów walencyjnych.

29.Podstawowe właściwości fizyczne metali

Charakterystyczny połysk; kowalność i ciągliwość (zginanie nie powoduje pęknięcia, metale można obrabiać mechanicznie); bardzo dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne; najczęściej barwa srebrzystobiała lub srebrzystoszara.

30.Temperatury topnienia i aktywność chemiczna metali

Metale mają zróżnicowane, zwykle wysokie temperatury topnienia - wyjątkami są rtęć, gal, ind, ołów oraz litowce. Wykazują też różną aktywność chemiczną: niektóre, np. sód, gwałtownie reagują z wodą.

31.Temperatury topnienia substancji o różnych wiązaniach

Substancje jonowe mają wysokie temperatury topnienia, cząsteczkowe - niskie, kowalencyjne - bardzo wysokie, a metaliczne - zróżnicowane, zwykle wysokie (wyjątkami są m.in. rtęć, gal i litowce).

32.Przewodnictwo i rozpuszczalność substancji o różnych wiązaniach

Substancje jonowe przewodzą prąd w postaci stopionej i w roztworach wodnych oraz zwykle dobrze rozpuszczają się w wodzie. Cząsteczkowe nie przewodzą prądu (są izolatorami) i rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych, a ich rozpuszczalność zależy od polarności cząsteczek i typu oddziaływań. Kowalencyjne nie przewodzą prądu, a metaliczne dobrze go przewodzą; jedne i drugie są nierozpuszczalne.

33.Twardość i wytrzymałość substancji o różnych wiązaniach

Substancje jonowe mają dużą wytrzymałość mechaniczną i średnią twardość, cząsteczkowe - małą wytrzymałość i małą twardość, kowalencyjne - dużą wytrzymałość i dużą twardość. U metalicznych obie cechy są zróżnicowane, a przy tym metale są kowalne i ciągliwe.