Oddziaływanie cząsteczek w ciałach stałych, cieczach i gazach. Podobieństwa i różnice.
1.Oddziaływania międzycząsteczkowe – inne niż wiązania chemiczne siły wiążące atomy i cząsteczki.
Do oddziaływań tych zalicza się (w kolejności od najsilniejszych do najsłabszych):
a) oddziaływania jon-jon (elektrostatyczne) – zachodzą między dwiema
różnoimiennie naładowanymi cząsteczkami; od wiązań jonowych różni je to,
że ładunek w oddziałujących ze sobą cząsteczkach nie jest
skoncentrowany na jednym atomie, lecz jest zdelokalizowany na
kilku-kilkunastu atomach; siła ich oddziaływania jest proporcjonalna do
1/r2 (gdzie r – odległość między cząsteczkami); w przypadku ośrodka
zawierającego inne ładunki (np. roztworu elektrolitu) efekt
oddziaływania jest mniejszy
b) wiązania wodorowe – tworzą się, gdy
atom wodoru z cząstkowym ładunkiem dodatnim jest współdzielony przez
dwie cząsteczki, które posiadają atomy z cząstkowym ładunkiem ujemnym;
wiązania wodorowe, jeśli występują w obrębie jednej cząsteczki, są
często traktowane jak słabe wiązanie chemiczne; jeśli jednak wiąże ono
dwie lub więcej cząsteczek, można je traktować jako oddziaływanie
międzycząsteczkowe;
c) oddziaływania trwały dipol – trwały dipol –
tworzą się między cząsteczkami posiadającymi trwałe momenty dipolowe;
cząsteczki takie posiadają w jednych miejscach nadmiar ładunku ujemnego,
a w innych jego niedomiar; oddziałują one ze sobą tak jak jony – tyle,
że oddziaływanie to jest słabsze, gdyż w grę wchodzą cząstkowe, a nie
całkowite ładunki elektryczne, a także przyciąganiu pomiędzy ładunkami
różnoimiennymi towarzyszy zawsze odpychanie pomiędzy ładunkami
jednoimiennymi;
d) oddziaływania van der Waalsa – są to
oddziaływania między trwałym dipolem i indukowanym (wzbudzonym) dipolem.
W cząsteczkach, które nie posiadają trwałego momentu dipolowego, może
on być wzbudzany przez cząsteczki z trwałym momentem; następnie taki
wzbudzony dipol i trwały dipol oddziałują na siebie podobnie jak dwa
trwałe dipole, tyle że znacznie słabiej; w cząsteczkach bez trwałego
momentu dipolowego występują natomiast stochastyczne fluktuacje ich
chmur elektronowych, powodujące powstawanie chwilowych momentów
dipolowych; cząsteczka posiadająca chwilowy moment dipolowy może go
wzbudzić w cząsteczce sąsiadującej, wskutek czego obie cząsteczki mogą
się nawzajem chwilowo przyciągać lub odpychać. Uśrednienie sił
odpychających i przyciągających daje w wyniku oddziaływanie
przyciągające proporcjonalne do 1/r6; oddziaływania van der Waalsa
wynikają m.in. z korelacji ruchów elektronów pomiędzy oddziałującymi
atomami – dlatego w metodach obliczeniowych nieuwzględniających
korelacji elektronowej sił tych praktycznie nie ma.
e) oddziaływania
dyspersyjne, zwane też siłami dyspersyjnymi Londona (odpowiadające
oddziaływaniu między dipolami indukowanymi).
Należy również
uwzględnić fakt, że dla małych odległości pomiędzy atomami czy
cząsteczkami pojawia się oddziaływanie odpychające pomiędzy powłokami
elektronowymi, wynikające z obowiązywania zakazu Pauliego.
2.Para jonowa - układ anionu i kationu powiązanych oddziaływaniem elektrostatycznym.
Jony w parach jonowych mogą być z sobą mniej lub bardziej silnie związane:
luźne pary jonowe, występują wtedy, kiedy nie istnieją silne
oddziaływania kationów i anionów między sobą. Możliwe jest to w silnie
rozcieńczonych elektrolitach, w których niskie stężenie jonów powoduje,
że prawdopodobieństwo zderzenie się ich jest pomijalne małe. pary
jonowe rozseparowane - istnieją wtedy, kiedy co prawda stężenie jonów w
elektrolicie lub krysztale jest już stosunkowo wysokie, ale istnieją
bariery uniemożliwiające bezpośredni kontakt jonów. W cieczy
rozseparowanie zachodzi na skutek solwatacji czyli otaczania jonów
szczelną otoczką cząsteczek rozpuszczalnika na skutek słabych
oddziaływań elektrostatycznych między jonem i rozpuszczalnikiem. W
krysztale rozseparowanie może następować na skutek np. zamknięcia jonów w
siatce krystalicznej i zablokowania swobody jego przemieszczania się.
pary jonowe związane - istnieją w elektrolitach ciekłych, w których
występuje duże stężenie jonów. Jony te nadal są zsolwatowane, czyli
otoczone cząsteczkami rozpuszczalnika, ale grupują się parami
anion-kation. Między anionem i kationem nie istniej jednak bezpośrednie
wiązanie chemiczne, gdyż uniemożliwia to otoczka solwatacyjna. Istnienie par jonowych rozseparowanych i związanych wyjaśnia wiele mechanizmów reakcji chemicznych
3. Dyfuzja
Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub
energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący
konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji
między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na
skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:
a) dyfuzja śledzona - toproces mikroskopowy polegający na chaotycznym ruchu pojedynczej cząsteczki,
b)dyfuzja chemiczna - to proces makroskopowy obejmujący makroskopowe
ilości materii (lub energii), zwykle opisywany równaniem dyfuzji i
prowadzący do wyrównywania stężenia (lub temperatury) każdej z
dyfundujących substancji w całym układzie.
4. Ciała stałe, ciecze, gazy
Wszystkie substancje (ciała stałe, ciecze, gazy) są zbudowane z cząsteczek lub atomów. Cząsteczki różnej substancji różnią się wielkością. Wielkość cząsteczek mierzymy w NANOMETRACH (1nm). Zjawisko samorzutnego mieszania się dwóch różnych substancji stykających się ze sobą nazywamy DYFUZJĄ. Dyfuzja świadczy o tym ze cząsteczki są w nieustannym ruchu. Zachodzi najszybciej w gazach a najwolniej w ciałach stałych. SKALA KELWINA - skala bezwzględna, najmniejsza temp. to 0K, różnica między skalą KELWINA, a CELCJUSZA to 273 stopnie.
Siły międzycząsteczkowe działające między cząsteczkami tego samego rodzaju nazywamy siłami spójności. Siły międzycząsteczkowe działające między cząsteczkami różnych ciał nazywamy siłami przylegania. Siły międzycząsteczkowe działają na niewielkich odległościach.
BUDOWA CZĄSTECZKOWA GAZÓW: odległości są bardzo małe słabo się przyciągają poruszają się chaotycznie (szybko, zderzając się ze sobą)
BUDOWA CZĄSTECZKOWA CIECZY: odległości miedzy cząsteczkami są małe niezbyt silnie się przyciągają przemieszczają się swobodnie
BUDOWA CZĄSTECZKOWA CIAŁ STAŁYCH: cząsteczki są bardzo blisko siebie silnie się przyciągają nie mogą się swobodnie poruszać wykonują drgania wokół stałych położen
W ciałach stałych o budowie krystalicznej cząsteczki są ułożone regularnie * stały – trudno zmienić objętość i kształt, * ciekły – trudno zmienić objętość, a kształt łatwo, * gazowy – łatwo zmienić objętość i kształt, ciało zajmuje całą dostępną mu przestrzeń
Podsumowując ogólnie Gazy: - duże odległości pomiędzy cząsteczkami - łatwo zmienić objętość - ściśliwe i rozprężliwe - bardzo słabe siły wzajemnego oddziaływania - łatwo zmienić kształt - przyjmuje kształt naczynia w którym się znajduje
Ciecze: - odległości między cząsteczkami mniejsze niż gazów - trudno zmienić objętość - siły wzajemnego oddziaływania większe, ale nie tak duże żeby utrzymać kształt cieczy - ciecze przyjmują kształt naczynia w którym się znajdują
Ciała stałe: - odległości między cząsteczkami najmniejsze - trudno zmienić objętość
Ciała stałe dzielimy na : - o budowie krystalicznej - o budowie bezpostaciowej