Forze intermolecolari

Atomi e molecole interagiscono attraverso legami (o forze): intramolecolari e intermolecolari. Le forze sono elettrostatiche in quanto derivano da interazioni (attraenti o repulsive) tra specie cariche (cariche permanenti, parziali o temporanee) ed esistono con diversi punti di forza tra ioni, molecole polari, non polari e neutre. I diversi tipi di forze intermolecolari sono ioni–dipolo, dipolo–dipolo, legami idrogeno e dispersione; tra questi, le forze di dipolo–dipolo, idrogeno e dispersione esistono tra atomi e molecole neutrali e sono collettivamente conosciute come forze di van der Waals.

Forze di dipolo-dipolo

Le molecole polari hanno una carica positiva parziale su un’estremità e una carica negativa parziale sull’altra estremità della molecola – una separazione di carica chiamata dipolo. In una molecola polare come hcl, l’atomo cl più elettronegativo porta la carica negativa parziale, mentre l’atomo H meno elettronegativo porta la carica positiva parziale. Una forza attrattiva tra le molecole di HCl deriva dall’attrazione tra l’estremità positiva di una molecola HCl e la fine negativa di un’altra. Questa forza attrattiva è chiamata attrazionedipolo –dipolo – la forza elettrostatica tra l’estremità parzialmente positiva di una molecola polare e l’estremità parzialmente negativa di un’altra.

Forze di dispersione

Una delle tre forze di van der Waals è presente in tutte le fasi condensate, indipendentemente dalla natura degli atomi o delle molecole che compongono la sostanza. Questa forza attrattiva è chiamata forza di dispersione di Londra in onore del fisico americano di origine tedesca Fritz London che, nel 1928, lo spiegò per la prima volta. Questa forza è spesso indicata semplicemente come la forza di dispersione. Poiché gli elettroni di un atomo o molecola sono in costante movimento (o, in alternativa, la loro posizione è soggetta alla variabilità quantistico-meccanica), in qualsiasi momento, un atomo o una molecola può sviluppare un dipolo temporaneo e istantaneo se i suoi elettroni sono distribuiti asimmetricamente. La presenza di questo dipolo può, a sua volta, distorcere gli elettroni di un atomo o molecola vicina, producendo un dipolo indotto. Questi due dipoli temporanei, che fluttuano rapidamente, si traducono quindi in un’attrazione elettrostatica relativamente debole tra le specie, una cosiddetta forza di dispersione.

Le forze di dispersione che si sviluppano tra atomi in molecole diverse possono attirare le due molecole l’una verso l’altra. Le forze sono relativamente deboli, tuttavia, e diventano significative solo quando le molecole sono molto vicine. Atomi e molecole più grandi e pesanti mostrano forze di dispersione più forti rispetto agli atomi e alle molecole più piccoli e leggeri. F_{2 e} Cl_{2 sono} gas a temperatura ambiente (che riflettono forze attrattive più deboli); Br₂ è un liquido, e I_{2 è} un solido (che riflette forze attrattive più forti).

Legame idrogeno

Il fluoruro di nitrosil (ONF, massa molecolare 49 amu) è un gas a temperatura ambiente, mentre l’acqua (H₂O, massa molecolare 18 amu) è un liquido, anche se ha una massa molecolare inferiore. Entrambe le molecole hanno all’inca più o meno la stessa forma, e l’ONF è la molecola sempre più pesante. Si prevede quindi che sperimenterà forze di dispersione più significative. Inoltre, questa differenza nei punti di ebollizione non può essere il risultato di differenze nei momenti di dipolo delle molecole. Entrambe le molecole sono polari e mostrano momenti di dipolo comparabili. La grande differenza tra i punti di ebollizione è dovuta ad un’attrazione dipolo–dipolo particolarmente forte che può verificarsi quando una molecola contiene un atomo di idrogeno legato a un atomo di fluoro, ossigeno o azoto (i tre elementi più elettronegativi). La differenza molto grande di elettronegatività tra l’atomo H (2.1) e l’atomo a cui è legato (4.0 per un atomo F, 3.5 per un atomo O, o 3.0 per un atomo N), combinata con le dimensioni molto piccole di un atomo H e le dimensioni relativamente piccole di atomi F, O o N, porta a cariche parziali altamente concentrate con questi atomi. Le molecole con moieties F-H, O-H o N-H sono fortemente attratte da moieties simili nelle molecole vicine, un tipo particolarmente forte di attrazionedipolo –dipolo chiamata legame idrogeno. Esempi di legami idrogeno includono HF⋯HF, H₂O⋯HOH e H₃N⋯HNH₂, in cui i legami idrogeno sono denotati da punti.

 Forze ioniche-dipolo

Una forzaionica –dipolo è l’attrazione elettrostatica tra uno ione e un dipolo. Queste forze sono comuni nelle soluzioni e svolgono un ruolo importante nella dissoluzione dei composti ionici nell’acqua.

Quando un composto ionico come il KCl viene aggiunto a un solvente polare come l’acqua, gli ioni nel solido si separano e si disperdono uniformemente. Leforzedi ioni – dipolo attirano l’estremità positiva (idrogeno) delle molecole di acqua polare agli ioni cloruro negativi sulla superficie del solido, e attirano le estremità negative (ossigeno) agli ioni di potassio positivi. Le molecole d’acqua circondano i singoli ioni K⁺ e Cl^−, riducendo le forti forze interioniche che legano gli ioni insieme (in un solido) e lasciandoli spostare in soluzione come ioni solvati. Il superamento dell’attrazione elettrostatica consente il movimento indipendente di ogni ione idratato in una soluzione diluita mentre gli ioni si di passaggiono da posizioni fisse nel composto non disciolto a ioni ampiamente dispersi e solvatati in soluzione.

La forza delle interazioniionica –dipolo è direttamente proporzionale a i) la carica sullo ione e ii) la grandezza del dipolo delle molecole polari.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Capitolo 10: Liquidi e Solidi.