Oddziaływania międzycząsteczkowe w chemii

Oddziaływania międzycząsteczkowe to siły przyciągania działające między cząsteczkami substancji. Nie należy ich mylić z wiązaniami chemicznymi, które łączą atomy wewnątrz cząsteczki lub sieci krystalicznej. Choć oddziaływania międzycząsteczkowe są zwykle słabsze od wiązań chemicznych, mają bardzo duży wpływ na właściwości substancji.

Od ich siły zależą między innymi temperatura wrzenia, temperatura topnienia, lotność, lepkość i rozpuszczalność. Im silniejsze przyciąganie między cząsteczkami, tym trudniej je od siebie oddzielić, więc substancja zwykle ma wyższą temperaturę wrzenia i mniejszą lotność.

W liceum najważniejsze są dwa rodzaje takich oddziaływań: siły van der Waalsa oraz wiązania wodorowe. Siły van der Waalsa są bardziej powszechne i występują w wielu substancjach, natomiast wiązania wodorowe są silniejsze i odpowiadają za szczególne właściwości niektórych związków.

Pod nazwą siły van der Waalsa rozumie się słabe oddziaływania międzycząsteczkowe wynikające z obecności dipoli trwałych albo chwilowych. W szkolnym ujęciu najczęściej omawia się oddziaływania dipol-dipol oraz siły dyspersyjne.

Oddziaływania dipol-dipol występują między cząsteczkami polarnymi, czyli takimi, które mają trwały nierównomierny rozkład ładunku. Dodatni biegun jednej cząsteczki przyciąga ujemny biegun drugiej. Tak dzieje się na przykład w substancjach zbudowanych z cząsteczek takich jak $HCl$.

Siły dyspersyjne występują nawet wtedy, gdy cząsteczki są niepolarne. Wynikają z chwilowego przesunięcia elektronów, przez co powstają krótkotrwałe dipole. Dzięki temu także cząsteczki takie jak $Cl_2$, $O_2$ czy $CH_4$ przyciągają się wzajemnie.

Siła tych oddziaływań nie jest jednakowa. Zależy między innymi od budowy cząsteczki i łatwości odkształcenia chmury elektronowej. W praktyce oznacza to, że nawet słabe siły mogą w dużej liczbie wyraźnie wpływać na właściwości makroskopowe substancji.

Wiązanie wodorowe to szczególny rodzaj silnego oddziaływania międzycząsteczkowego. Powstaje wtedy, gdy atom wodoru jest związany z bardzo elektroujemnym atomem, najczęściej fluoru, tlenu lub azotu, a następnie oddziałuje z wolną parą elektronową takiego atomu w innej cząsteczce.

Warunek jest więc podwójny: musi istnieć silnie spolaryzowane wiązanie z wodorem oraz odpowiedni atom zdolny do przyciągnięcia tego wodoru. Dlatego wiązania wodorowe występują na przykład w wodzie, fluorowodorze i amoniaku, ale nie są typowe dla cząsteczek takich jak $CH_4$ czy $Cl_2$.

Wiązanie wodorowe jest silniejsze niż typowe siły van der Waalsa, ale nadal słabsze niż zwykłe wiązanie kowalencyjne. Mimo to jego obecność może bardzo wyraźnie zmieniać zachowanie substancji.

Najważniejszą konsekwencją istnienia oddziaływań międzycząsteczkowych jest wpływ na stan skupienia i temperatury przemian fazowych. Substancje, w których cząsteczki przyciągają się silniej, zwykle mają wyższe temperatury wrzenia i topnienia, ponieważ trzeba dostarczyć więcej energii, aby rozdzielić cząsteczki.

Dobrym przykładem jest woda. Jej cząsteczki tworzą rozbudowaną sieć wiązań wodorowych, dlatego woda ma stosunkowo wysoką temperaturę wrzenia, wysokie napięcie powierzchniowe i mniejszą lotność, niż można by przewidywać na podstawie małej masy molowej.

Substancje, między których cząsteczkami działają głównie słabe siły dyspersyjne, są często bardziej lotne. Łatwiej przechodzą do stanu gazowego, ponieważ do oddalenia cząsteczek od siebie potrzeba mniej energii.

Aby przewidzieć, jakie oddziaływania występują między cząsteczkami, trzeba zwrócić uwagę na polarność cząsteczki. Cząsteczka polarna ma trwały dipol, czyli obszary częściowo dodatnie i częściowo ujemne. Cząsteczka niepolarna nie ma takiego trwałego rozdziału ładunku albo efekty polaryzacji wiązań znoszą się.

Między cząsteczkami polarnymi mogą działać oddziaływania dipol-dipol. Jeżeli dodatkowo obecne są odpowiednie wiązania z wodorem, mogą powstawać wiązania wodorowe. Natomiast między cząsteczkami niepolarnymi dominują zwykle siły dyspersyjne.

To rozróżnienie pomaga wyjaśniać wiele właściwości substancji. Cząsteczki polarne częściej dobrze mieszają się z wodą, bo mogą tworzyć korzystne oddziaływania z jej cząsteczkami. Cząsteczki niepolarne zwykle słabiej rozpuszczają się w wodzie, ale lepiej w rozpuszczalnikach niepolarnych.

W zadaniach szkolnych często trzeba porównać właściwości kilku substancji i uzasadnić je rodzajem oddziaływań międzycząsteczkowych. Warto wtedy postępować etapami: ustalić, czy cząsteczki są polarne czy niepolarne, sprawdzić, czy mogą tworzyć wiązania wodorowe, a następnie przewidzieć wpływ na temperaturę wrzenia lub rozpuszczalność.

Przykładowo, woda $H_2O$ i amoniak $NH_3$ mogą tworzyć wiązania wodorowe, więc wykazują silniejsze oddziaływania niż substancje zbudowane z cząsteczek niepolarnych. Z kolei $Cl_2$ lub $CH_4$ nie tworzą wiązań wodorowych i dominują w nich słabsze siły dyspersyjne.

W odpowiedziach warto używać precyzyjnych sformułowań: „między cząsteczkami występują siły van der Waalsa”, „substancja tworzy wiązania wodorowe”, „silniejsze oddziaływania powodują wyższą temperaturę wrzenia”. Takie uzasadnienie jest bardziej poprawne niż samo stwierdzenie, że „cząsteczki mocniej się trzymają”.

Najczęstszy błąd polega na myleniu wiązania wodorowego z wiązaniem chemicznym w cząsteczce albo na uznawaniu, że każda substancja z wodorem tworzy takie oddziaływanie. W chemii szkolnej zawsze trzeba sprawdzić warunek obecności $F$, $O$ lub $N$.