نیروهای بین مولکولی - انواع نیروهای بین مولکولی

نیروهای واندروالسی

نیروهای واندروالسی بر خلاف نیروهای دو قطبی- دو قطبی و هیدروژنی شکل خاص و جهت تعریف شده ای ندارد . این نیروها اولین بار توسط واندروالس فیزیک دان هلندی با به کار گیری تصحیحاتی در قانون گاز ایده ال مطرح و به عنوان تخمینی از این نیروها به دست آمد ،و با وجود ضیعف بودن قابل اهمیت هستند .

یک نیروی واندروالسی در یک مولکول وقتی به وجود می آید که مرکز بارهای مثبت و مرکز بارهای منفی منطبق نباشد. درچنین موقعی گفته می شود که مولکول دو قطبی های الکتریکی دارد .

در سیستمهای مولکولی که دو قطبی ها حالت دائمی دارند (مولکولهای قطبی ) نیروهای واندروالسی به جهت گیری نسبی و مکان مولکولها وابستگی شدیدی دارند. این نیروها با توان ششم فاصله بین دو قطبی ها نسبت معکوس دارند و لذا این نیروها در فواصل بسیار کم ظاهر می شوند . نیروهای دو قطبی در تعیین درجه به هم فشردگی صفوف منظم مولکولها دربلورها نقش مهمی دارند .

در سیمستم هایی که دو قطبی ها حالت دائمی ندارند ، اجزای سیستم درمعرض تاثیراتی کاملا متفاوت هستند این تاثیرات عمدتا بدین شکل است که در یک سیستم اتمی یا مولکولی ، توضیح بار الکترونی می تواند به واسطه نزدیک شدن کافی اتمها یا مولکولها به یکدیگر تبدیل کند و بدین ترتیب در تک تک اجزای سیستم یک دو قطبی به وجود می آید . بعضی مواقع نیروهای جاذبه بین یک جفت از این دو قطبی ها نیروی پراکندگی می نامند . این نیروها نیروهای لاندن نیز نامیده می شوند. با افزایش تعداد الکترونها در اتم ها یا مولکولها و نیز تغییر توضیح بار الکتریکی به صورت ساده تر توسط یک میدان الکتریکی، نیروهای پراکندگی می توانند افزایش یابند . نقطه جوش یک مایع میزان تقریبی از نیروهای جاذبه بین مولکولی اجزای تشکیل دهنده آن مایع می باشد با مقایسه نقاط جوش معایعاتی که دو قطبی هایی دائمی ندارند می توان یک ارزیابی تقریبی از مقادیر نیروهای پراکندگی به دست آورد با توجه به ساختمان الکترونی هر جسم نیروهای پراکندگی یا لاندن یک خاصیت کلی ماده به حساب می آید در سیستم های که قابلیت قطبی شدن اجزای تشکیل دهنده آنها زیاد است انرژی جاذبه بزرگ می باشد.جهت گیریهای مختلفی که دو قطبی های می توانند نسبت به یکدیگر داشته باشند.

شکل های هندسی مولکولها ( مفهوم دافعه جفت الکترونی )

جهت گیری مجموعه ای از اتم ها در تشکیل مولکول معینی را می توان بر پایه دافعه الکتروستا تیکی در بین جفت الکترونها به طور کیفی توضیح داد در به کارگیری این مفهوم تراز والانس اتم مرکزی مورد توجه می باشد.

اتم هایی که در تراز والانس خود فقط دو الکترون دارند . دو پیوند کووالانسی با دو اتم دیگر می توانند ایجاد کنند . آرایش این مولکولها چنان است که در آن دو پیوند جفت الکترونی باید حداکثر جدایی را داشته باشند تا دافعه الکتروستاتیکی بین آنها حداقل باشد لذا مولکولهای نوع B:A:B بدون استثنا خطی هستند.

اگر اتم مرکزی درتراز والانس خود سه الکترون داشته و هر سه در تشکیل پیوند کووالانس شرکت کنند هر یک از زوایای پیوندی مولکول 120 درجه خواهد بود و مولکول مثلثی و مسطح می باشد چون اتم قلع در لایه والانس که خود چهار الکترون دارد و هر اتم کلر یک الکترون برای تشکیل پیوند در اختیارمی گذارد. شش الکترون فوق سه جهت تشکیل می دهند این سه جفت آرایش مسطح مثلثی به خود می گیرند شکل یک مولکول به حذف موقیعت اتم های تشکیل دهنده آن و نه الکترون آن بیان می شود لذاSnCl2 زاویه دار توصیف می گردد به همین دلیل در مولکولهای متان CH4 چهار جفت الکترون پیوندی وجود دارد و در اصل حداقل دافعه الکتروستاتیکی زمانی ایجاد می گردد که زوایای پیوندی 109 28 . H-c-H باشند و لذا آرایش مولکول چهار وجهی خواهد بود. در مولکولهای NH3 از مجموع چهار جفت الکترون سه جفت پیوندی و یک جفت غیر پیوندی است و لذا زاویه های H-N-H‌ درحدود 107 درجه بوده و مولکول هرم مثلثی می باشد . از مجموع چهار جفت الکترون موجود در H2O دو جفت پیوندی و دو جفت غیر پیوندی است از این رو آرایش اتم ها درمولکول فوق به شکل v زاویه داربوده و زوایای H-O-H 105 درجه خواهد بود .

به همین ترتیب برای مولکولهایی که اتم مرکزی در آنها 5 جفت الکترون ( پیوندی یا غیر پیوندی ) و یا شش جفت  ترون دارند هر کدام شکل خاصی خواهند داشت .

هیبرید شدن

نظر به اینکه تعداد پیوند کووالانسی که یک عنصر می تواند تشکیل دهد معمولا با تعداد الکترونهای جفت نشده دراوربیتالهای نیم پر تعیین میگردند کربن از این لحاظ یک وضعیت مخصوصی دارد. تقریبا در تمامی ترکیب های عالی کربن کووالانسی چهار را نشان می دهد. کربن در حالت پایه در لایه ظرفیت خود دو الکترون زوج نشده دارد ولی در حالت تحریک شده یک الکترون از اوربیتال 2s به اوربیتال خالی 2p رفته و تعداد الکترونهای زوج نشده خود را به چهار می رساند یکی در 2s و سه تا در 2p . چنانچه این چهار اوربیتال از لحاظ ریاضی مخلوط شوند یک اتم تحریک شده با چهار اوربیتال یکسان نتیجه می گردد. انرژی چهار اوربیتال حاصل بوده و میانگین از انرژی یک اوربیتال 2s و سه اوربیتال2p‌ می باشد . اوربیتالهای مخصوص شده فوق اوربیتالهای هیبریدی sP3 نامیده می شود . تئوری شیمیایی پیشگویی می کند که اوربیتالهای SP3 فوق باید ازاتم کربن به طرف گوشه های یک چهار وجهی جهت گرفته باشند اگر چهار اوربیتال SP3 با اوربیتال 1s‌ چهار اتم هیدروژن همپوشانی نامیده چهار اوربیتال مولکولی پیوندی از نوع سیگما حاصل می گردد. مولکول نتیجه شده cH4 باید اتم کربن را در مرکز و چهار اتم هیدروژن را در گوشه های یک چهاروجهی منظم داشته باشد.

اطلاعات تجربی با پیش بینی فوق مطابقت نشان می دهد لذا در مولکول متان cH4 که جزء اصلی گاز طبیعی است چهار پیوند کووالانسی c-H‌ از مرکز یک چهار وجهی منظم به طرف گوشه های آن آرایش می یابند که کربن در مرکز این چهاروجهی قرار دارد و زوایای پیوندی 5/109 می باشد هرچهار پیوند طول یکسانی دارند انرژی لازم برای شکستن هر یک از پیوندها یکسان خواهد بود (kcal 102 ) از این رو پیوندها باید معادل باشند . از فرایند هیبرید شدن چه نکاتی را کسب می کنیم و اوربیتال های تحریک شده با انرژی بالاتر چه استفاده ای دارند؟ اول اینکه از کربن و هیدروژن چهار پیوند متعادل می توانیم تشکیل دهیم و نه دو پیوند . لذا با تشکیل چهار پیوند انرژی مولکول را پایین می آوریم ضمن اینکه اگر یک اوربیتال 2s‌ و سه اوربیتال 2p ‌ در حالت تحریک شده می خواستند پیوند بدهند بدون هیبرید شدن چهار پیوند غیر یکسان حاصل می شود معهذا استفاده از اوربیتالهای هیبریدی تشکیل پیوندهای قویتر را ممکن می سازد چون اوربیتالهای sP3 خاصیت همپوشانی بهتری نشان می دهند . ثانیا ساختمان چهار وجهی اوربیتالهای sP3 ‌ بیشترین جدایش فضایی را برای چهار پیوند فراهم می کند و از این رو مولکول انرژی کمتری داشته و پایدارتر خواهد بود . در مورد بور(B) اوربیتالهای هیبریدی sP2 به تعداد سه اوربیتال حاصل می شود که از اتم بور به طرف گوشه های یک سه گوش مسطح ( با زاویه پیوندی 120 درجه ) آرایش می یابند .

هیبرید شدن بریلیم دو اوربیتال هیبریدی sP نتیجه می دهد که با تشکیل زاویه 180 درجه فرم خطی به خود می گیرد .

آزمایش دوم رادرفورد

اولین بار پرتوهای الفا که دارای بار مثبت بودند را به یک ورقه بسیار نازک از جنس طلا تاباند( زیرا طلا را می توان به صورت ورقه های بسیار نازک تبدیل کرد و او نیز می خواست به اتم ها نزدیک تر شود ) تعداد بیشتری از پرتوهای الفا در مسیر مستقیم از ورقه های طلا عبور کردند بعضی از پرتوها هنگام عبور از مسیر منحرف می شوند و تعداد معدودی هم با زاویه کمتر از180 درجه از سطح ورقه باز می گشتند رادرفورد از این که بیشتر پرتوها به طور مستقیم عبور می کردند نتیجه گرفت : که بیشتر فضای اتم را فضای خالی تشکیل میدهد از اینکه بعضی از پرتوها از مسیر مستقم منحرف می شوند نتیجه گرفت که : حتما در درون اتم فضای ، جرمی ، حجم کوچکی است که دارای بار الکتریکی مثبت می باشد ( زیرا بارهای مثبت است و درون اتم هم بارمثبت است پس بنابراین دو بار هم نام از هم دور می شوند و عامل انحراف می شود.)

انواع نیروهای بین مولکولی , تیوری آزمایش نیروهای بین مولکولی