Mi vonzza egymáshoz a kész molekulákat?
Az előző jegyzetben különválasztottuk a molekulán belüli elsőrendű kötéseket és a külön molekulák közötti kölcsönhatásokat. Most azt vizsgáld meg, mi vonzza egymáshoz a már kialakult molekulákat.
H2O + H2O – donor és akceptor
Ebben a jegyzetben főként különálló molekulák közötti másodrendű kölcsönhatásokat vizsgálunk. A diszperziós kölcsönhatás azonban atomok között is felléphet.
A három típus egymásra épül
A másodrendű kölcsönhatások nem egymást kizáró címkék.
Diszperziós: minden atom és molekula között felléphet.
Dipólus–dipólus: ha a molekula poláris, ez is felléphet.
Hidrogénkötés: megfelelő donor és akceptor esetén ez is felléphet.
A vízmolekulák között ezért nem csak hidrogénkötés van: mindhárom típus jelen lehet.
Diszperziós: pillanatnyi és indukált dipólus
Az egyik elektronfelhő pillanatnyi aszimmetriája a szomszéd elektroneloszlását is befolyásolja. A töltéseloszlás folyamatosan változik.
Diszperziós kölcsönhatás
A részecskék elektroneloszlása időben ingadozik. Egy pillanatnyi töltésaszimmetria pillanatnyi dipólust hozhat létre; ez a közeli részecske elektronfelhőjét is befolyásolhatja, amelyben indukált dipólus alakul ki. A kapcsolódó vonzás diszperziós kölcsönhatás.
Diszperziós kölcsönhatás minden atom és molekula között felléphet. Argonatomok között nincs állandó dipólus vagy hidrogénkötés, mégis van diszperziós vonzás: megfelelően alacsony hőmérsékleten a nemesgázok is kondenzálódhatnak.
Háromféle dipólus
Dipólus | Hogyan jön létre? |
|---|---|
Pillanatnyi | Az elektroneloszlás pillanatnyi ingadozásából. |
Indukált | Közeli töltéseloszlás hatására. |
Állandó | Poláris molekula tartósan aszimmetrikus töltéseloszlásához kapcsolódik. |
A δ+ és δ− a diszperziós modellben pillanatnyi töltéseltolódást jelöl, nem állandó molekulapolaritást. A pillanatnyi dipólus nem jelenti azt, hogy az apoláris molekula tartósan polárissá vált.
Gyors ellenőrzés 1 – dipólusok
Az egyik részecske elektroneloszlása pillanatnyilag aszimmetrikus; ettől a szomszéd felhője is torzul. Melyik a pillanatnyi és melyik az indukált dipólus? Miben más a HCl?
Megoldás
Az első részecske dipólusa pillanatnyi, a szomszédé indukált. A HCl poláris molekula, ezért állandó dipólusa van.
Dipólus–dipólus kölcsönhatás
Poláris molekulában a töltéseloszlás tartósan egyenlőtlen. A polaritást a kötések polaritása és a térbeli alak együtt határozza meg; ezt az 1.2.2-ben már alkalmaztad.
Hδ+–Clδ−: két HCl-molekula kedvező elrendezésében ellentétes részleges töltésű végek kerülnek közel. A részleges töltés nem iontöltés.
Hidrogénkötéshez két dolgot keress
Donor: olyan részecske, amelyben H közvetlenül N-hez, O-hoz vagy F-hez kötődik: N–H / O–H / F–H.
Akceptor: megfelelő, elérhető nemkötő elektronpárt hordozó N, O vagy F.
Nem elég, hogy a molekulában van oxigén vagy hidrogén: donor- és akceptorhelyet kell keresned. Ugyanaz a molekula donor és akceptor is lehet. Az etanol O–H hidrogénje donorhely; oxigénjének nemkötő párjai akceptorhelyek. Víznél ugyanez az alapgondolat érvényes.
A HCl-ben is van H – akkor hidrogénkötéses?
A H nem N/O/F atomhoz, hanem Cl-hoz kötődik: a használt középiskolai modell szerint HCl-molekulák között nincs hidrogénkötés. Jelen van: diszperziós és dipólus–dipólus. Ezek közül a legerősebb: dipólus–dipólus.
H2O + H2O – donor és akceptor
Gyors ellenőrzés 2 – donor és akceptor
Miért lehetséges hidrogénkötés víz és etanol között, de nem két dimetil-éter-molekula között?
Megoldás
A víz O–H donorhidrogénje az etanol oxigénjének nemkötő párjához kapcsolódhat. A dimetil-éter oxigénje akceptor lehet, de nincs megfelelő N–H/O–H/F–H donorhelye.
CH4 – HCl – H2O: minden fellépő típust keress
Molekulák | Jelen van | Ezek közül a legerősebb |
|---|---|---|
CH4 | Diszperziós | Diszperziós |
HCl | Diszperziós; dipólus–dipólus | Dipólus–dipólus |
H2O | Diszperziós; dipólus–dipólus; hidrogénkötés | Hidrogénkötés |
A CH4 apoláris, a HCl poláris. A víz poláris, és megfelelő donorhelye és akceptorhelye is van.
Gyors ellenőrzés 3 – a három horgonypélda
Mely másodrendű kölcsönhatások lépnek fel CH4-, HCl- és H2O-molekulák között, és ezek közül melyik a legerősebb?
Megoldás
Jelen van: CH4 között diszperziós; HCl között diszperziós és dipólus–dipólus; H2O között mindhárom típus. Ezek közül a legerősebb rendre diszperziós, dipólus–dipólus és hidrogénkötés: a CH4 apoláris, a HCl poláris, a víz megfelelő donorral és akceptorral is rendelkezik.
Hogyan ismerd fel a legerősebb fellépő típust?
Azonos molekulák közötti kölcsönhatásokat vizsgálj. Először döntsd el, hogy az anyag különálló molekulákból áll-e. Molekuláris anyagnál keress megfelelő donort és akceptort, majd állandó polaritást; diszperziós kölcsönhatás minden ágon felléphet.
Teljes döntési fa: az összes jelen levő típus és a legerősebb
Különálló molekulákból álló anyagot vizsgálunk?
Ez a felismerési út egy adott molekulafajta kölcsönhatásait azonosítja. Különböző anyagok forráspontját nem rangsorolja.
Mitől lehet erősebb a diszperziós kölcsönhatás?
1. Könnyebben torzuló elektronfelhő
A Cl2 és Br2 egyaránt apoláris. A Br2 több elektront tartalmazó, nagyobb felhője könnyebben torzul: jelentősebb pillanatnyi és indukált töltéseltolódás alakulhat ki.
A moláris tömeg önmagában nem oka a diszperziós kölcsönhatás erősségének. Hasonló szerkezetű részecskéknél a nagyobb moláris tömeg gyakran együtt jár több elektronnal és könnyebben torzuló elektronfelhővel, ezért hasznos közvetett támpont.
2. Alak és érintkezési lehetőség
Azonos összegképletű és azonos moláris tömegű, de eltérő alakú molekulák között is eltérhet az összvonzás. A nyújtottabb n-pentán és a kompaktabb 2,2-dimetilpropán ezt szemlélteti: az számít, hogyan tudnak a molekulák egymás közelébe kerülni.
Gyors ellenőrzés 4 – Cl2 és Br2
Mindkettő apoláris. Miért lehet a Br2 forráspontja magasabb? Elég ezt a nagyobb moláris tömeggel indokolni?
Megoldás
Jelen van: mindkettőben diszperziós; ezek közül ez a legerősebb. A Br2 több elektronja és könnyebben torzuló felhője erősebb összvonzáshoz járul hozzá; a moláris tömeg csak közvetett támpont, nem a vonzás fizikai oka.
Mit változtat meg a molekulák közötti vonzás?
Egyetlen másodrendű kölcsönhatás általában jóval gyengébb egy tipikus elsőrendű kémiai kötésnél. Sok molekula között viszont nagyon sok ilyen kapcsolat működhet egyszerre: összességük jelentősen befolyásolja a fizikai tulajdonságokat.
Hasonló egyéb feltételek mellett az erősebb teljes molekulaközi összvonzás adott hőmérsékleten általában kisebb gőznyomással, gyakran magasabb forrásponttal jár. A viszkozitást és a felületi feszültséget is befolyásolhatja. Ezek tendenciák, nem egyetlen kölcsönhatásnévből következő merev törvények.
Gőznyomás és forráspont – vissza az 1.2.1-hez
Azonos hőmérsékleten az erősebben összetartott folyadékból általában nehezebben kerülnek molekulák a gázfázisba: a gőznyomás kisebb. Magasabb hőmérséklet kellhet, hogy elérje a külső nyomást, így a forráspont gyakran magasabb.
Forráskor a folyadék közeli molekulaközi kapcsolatrendszere fellazul: a molekulák eltávolodnak egymástól és gázfázisba kerülnek. Ehhez energiát kell befektetni a folyadékbeli molekulaközi vonzások ellenében. A molekulákon belüli elsőrendű kötések közben megmaradnak: víznél az O–H kovalens kötés nem bomlik fel.
Hogyan hasonlíts össze forráspontokat?
Mindkét anyag különálló molekulákból áll? Ha nem, az 1.2.2 ionrács-, atomrács- vagy fémrácsmodelljéből indulj ki.
Milyen másodrendű kölcsönhatások vannak jelen?
Van hidrogénkötési lehetőség?
Mekkora és mennyire könnyen torzul az elektronfelhő?
Milyen az alak és a hatékony érintkezési lehetőség?
Melyik tényező különbözik leginkább ebben a konkrét párban?
A következő adatok tiszta anyagokra, normál légköri nyomásra (körülbelül 101,3 kPa) vonatkoznak. Kerekített, szemléltető értékek: nem kell bemagolnod őket.
1. Cl2 és Br2
Forráspont, a megadott sorrendben: −34 °C; +59 °C.
1. Jelen levő kölcsönhatások: Mindkét apoláris molekulafajta között diszperziós kölcsönhatás van; ezek közül ez a legerősebb.
2. A fontos különbség ebben a párban: A Br2 több elektront tartalmazó, nagyobb elektronfelhője könnyebben torzul. Ez jelentősebb pillanatnyi és indukált töltéseltolódást, összességében erősebb vonzást eredményezhet; a Br2 forráspontja magasabb.
2. n-pentán és 2,2-dimetilpropán
Forráspont, a megadott sorrendben: 36 °C; 9,5 °C.
1. Jelen levő kölcsönhatások: Mindkét apoláris molekulafajta között diszperziós kölcsönhatás van; ezek közül ez a legerősebb.
2. A fontos különbség ebben a párban: Azonos a C5H12 összegképletük és a moláris tömegük. A nyújtottabb n-pentán molekulái kedvezőbben, nagyobb felületen kerülhetnek egymás közelébe, mint a kompaktabb 2,2-dimetilpropán molekulái: ez eltérő összvonzáshoz és forráspontokhoz vezet.
n-pentán és 2,2-dimetilpropán: alak és érintkezési lehetőség
3. Etanol és dimetil-éter
Forráspont, a megadott sorrendben: 78 °C; −25 °C.
1. Jelen levő kölcsönhatások: Mindkét poláris molekulafajta között van diszperziós és dipólus–dipólus kölcsönhatás. Etanolmolekulák között hidrogénkötés is fellép: ott ez a legerősebb; dimetil-éterben a dipólus–dipólus a legerősebb fellépő típus.
2. A fontos különbség ebben a párban: CH3–CH2–OH és CH3–O–CH3: azonos C2H6O összegképlet és moláris tömeg mellett eltér a kapcsolódás. Az etanol O–H donorhelye további hidrogénkötéseket tesz lehetővé; a tiszta dimetil-éterben nincs megfelelő donor, bár oxigénje akceptor lehet. Ebben a párban a hidrogénkötési lehetőség fontos különbség. Az összegképlet önmagában nem elég a fizikai tulajdonságok előrejelzéséhez.
Gyors ellenőrzés 5 – az összegképlet nem elég
Az etanol és a dimetil-éter egyaránt C2H6O. Miért tér el a forráspontjuk?
Megoldás
Jelen van: mindkettőben diszperziós és dipólus–dipólus, etanolban hidrogénkötés is. Ezek közül a legerősebb az etanolban a hidrogénkötés, a dimetil-éterben a dipólus–dipólus; ebben a párban az O–H donorhely fontos szerkezeti különbség.
4. H2O és NH3
Forráspont, a megadott sorrendben: 100 °C; −33 °C.
1. Jelen levő kölcsönhatások: Mindkét anyag molekulái között jelen van diszperziós, dipólus–dipólus és hidrogénkötés; ezek közül a legerősebb a hidrogénkötés.
2. A fontos különbség ebben a párban: A „hidrogénkötés van” címke itt nem magyarázza a különbséget. A kötési polaritás, a donor- és akceptorhelyek térbeli elrendeződése és az egész folyadék változó kapcsolatrendszere együtt számít.
Kötéspolaritás: egy fontos tényező, nem teljes magyarázat
Pauling-skálán H: 2,20; N: 3,04; O: 3,44. ΔEN(O–H) = 3,44 − 2,20 = 1,24; ΔEN(N–H) = 3,04 − 2,20 = 0,84. Az O–H nagyobb polaritása hozzájárul ahhoz, hogy az O–H csoport jó hidrogénkötés-donor legyen.
A H2O és NH3 forráspontkülönbsége nem vezethető le pusztán a ΔEN-ből. A kapcsolatok erőssége, száma, térbeli elrendeződése és az egész folyadék kölcsönhatás-rendszere együtt számít.
Folyékony víz: átrendeződő kapcsolatok
A H₂O és NH₃ donor- és akceptorhelyei eltérően rendeződnek. A kötéspolaritás és a teljes folyadék kapcsolatrendszere együtt számít; a forráspont nem számítható ki a rajzon látható kapcsolatok darabszámából.
5. HCl és Cl2
Forráspont, a megadott sorrendben: −85 °C; −34 °C.
1. Jelen levő kölcsönhatások: HCl: diszperziós és dipólus–dipólus; ezek közül a legerősebb a dipólus–dipólus. Cl2: diszperziós; ez a legerősebb.
2. A fontos különbség ebben a párban: A Cl2 nagyobb, könnyebben torzuló elektronfelhője jelentős diszperziós vonzást tesz lehetővé. A poláris molekula tehát nem automatikusan magasabb forráspontú minden apoláris molekulánál.
6. NH3 és Br2
Forráspont, a megadott sorrendben: −33 °C; +59 °C.
1. Jelen levő kölcsönhatások: NH3: diszperziós, dipólus–dipólus és hidrogénkötés; ezek közül a legerősebb a hidrogénkötés. Br2: diszperziós; ez a legerősebb.
2. A fontos különbség ebben a párban: A sokkal nagyobb Br2-molekulák könnyebben torzuló elektronfelhője erős összvonzást eredményez. A hidrogénkötés jelenléte sem ír felül automatikusan minden más molekuláris tényezőt különböző anyagok összehasonlításakor.
Gyors ellenőrzés 6 – a típus neve nem rangsorol
HCl: −85 °C, Cl2: −34 °C; NH3: −33 °C, Br2: +59 °C, azonos nyomáson. Miért cáfolják ezek az egyszerű típusalapú forráspont-rangsort?
Megoldás
HCl között diszperziós és dipólus–dipólus, NH3 között mindhárom, Cl2 és Br2 között diszperziós lép fel. Mégis az apoláris anyag forráspontja magasabb mindkét párban: a nagyobb, könnyebben torzuló elektronfelhő és az összesített vonzás is számít, ezért a legerősebb típus neve önmagában nem elég.
Olvadáspont: a kristály szerkezete is fontos
Olvadásnál különösen számít, hogyan rendeződnek a molekulák a szilárd fázisban. Az olvadáspontból még kevésbé állíthatsz fel egyetlen kölcsönhatástípus alapján egyszerű sorrendet.
Összefoglaló feladat
Mindegyik esettanulmányban indulj a szerkezetből, sorold fel a kölcsönhatásokat, majd magyarázd a tulajdonságot.
1. CH4 – HCl – H2O
Sorold fel az összes fellépő másodrendű kölcsönhatást az egyes molekulafajták között, add meg a legerősebbet, és indokold a besorolást.
Megoldás
Jelen van: CH4 között diszperziós; HCl között diszperziós és dipólus–dipólus; H2O között mindhárom típus. Ezek közül a legerősebb rendre diszperziós, dipólus–dipólus és hidrogénkötés: a CH4 apoláris, a HCl poláris, a víz megfelelő donorral és akceptorral is rendelkezik.
2. Cl2 – Br2
Mindkét molekula apoláris. Milyen vonzás lép fel köztük? Miért tér el a forráspont? Mit jelent, hogy a felhő könnyebben torzul?
Megoldás
Jelen van: mindkettőben diszperziós; ezek közül ez a legerősebb. A Br2 felhőjének eloszlását a szomszéd töltéseloszlása könnyebben befolyásolja, nagyobb pillanatnyi és indukált dipólusok jöhetnek létre. Ez erősebb összvonzással és a magasabb forrásponttal kapcsolódik össze.
3. Etanol – dimetil-éter
Írd fel a kapcsolódást, jelöld a donor- és akceptorhelyeket, sorold fel a kölcsönhatásokat, és értelmezd a 78 °C / −25 °C forráspontpárt.
Megoldás
Etanol: CH3–CH2–OH, donor az O–H hidrogénje, akceptor az O nemkötő párja; jelen van diszperziós, dipólus–dipólus és hidrogénkötés, a legerősebb a hidrogénkötés. Dimetil-éter: CH3–O–CH3, az O akceptor lehet, de nincs megfelelő donor; jelen van diszperziós és dipólus–dipólus, a legerősebb a dipólus–dipólus. Azonos összegképlet mellett a hidrogénkötési lehetőség ebben a párban nagyobb összvonzáshoz és magasabb etanol-forrásponthoz járul hozzá.
4. Két ellenpélda együtt
Miért nem jó univerzális forráspontszabály a hidrogénkötés → dipólus–dipólus → diszperziós típusok sorrendje? Használd a HCl/Cl2 és NH3/Br2 párokat.
Megoldás
HCl között diszperziós és dipólus–dipólus, NH3 között mindhárom típus, Cl2 és Br2 között diszperziós lép fel; a legerősebb rendre dipólus–dipólus, hidrogénkötés, illetve diszperziós. A Cl2 mégis magasabb forráspontú a HCl-nél, a Br2 pedig az NH3-nál. Különböző anyagok teljes összvonzását kell összevetni: az elektronfelhő, a méret, az alak és a kapcsolatrendszer is számít.
Amit mindenképp jegyezz meg
A molekulán belüli elsőrendű kötés és a molekulák közötti másodrendű kölcsönhatás két külön szint.
Diszperziós kölcsönhatás minden atom és molekula között felléphet.
Poláris molekulák között dipólus–dipólus kölcsönhatás is felléphet.
Hidrogénkötéshez megfelelő N–H/O–H/F–H donor és megfelelő N/O/F akceptor kell.
Egyszerre több kölcsönhatástípus lehet jelen.
A típus neve nem ad univerzális forráspont-rangsort különböző anyagokra.
A diszperziót a felhő torzulása és a molekulák érintkezési lehetősége befolyásolja.
Erősebb összvonzás általában kisebb gőznyomással és gyakran magasabb forrásponttal jár.
Forráskor a molekulákon belüli elsőrendű kötések rendszerint megmaradnak.
Sok gyenge kölcsönhatás együtt jelentősen befolyásolja a fizikai tulajdonságokat.
Fogalmak és összefüggések egy helyen
Fogalom | Rövid emlékeztető |
|---|---|
Pillanatnyi / indukált / állandó dipólus | Elektroneloszlás ingadozása / szomszéd hatása / poláris molekula tartós töltésaszimmetriája. |
δ+ / δ− | Részleges töltés; a diszperziós ábrán pillanatnyi eltolódás. |
Diszperziós kölcsönhatás | Pillanatnyi és indukált dipólusokhoz kapcsolódó vonzás. |
Dipólus–dipólus kölcsönhatás | Állandó dipólusú molekulák közötti vonzás. |
Hidrogénkötés | Megfelelő donor X–H hidrogénje és más részecske akceptor nemkötő párja között. |
Donor / akceptor / nemkötő pár | N–H/O–H/F–H csoport / megfelelő N/O/F nemkötő pár / két elektron, amely nem kovalens kötő pár. |
Molekulaközi vonzás ↔ gőznyomás | Azonos T-n, hasonló körülmények mellett erősebb összvonzás → általában kisebb gőznyomás. |
Gőznyomás ↔ forráspont | Forráskor a gőznyomás eléri a külső nyomást. |
Alak és érintkezési lehetőség | Befolyásolja, hogyan kerülnek a molekulák egymás közelébe. |
Könnyebben torzuló elektronfelhő | Jelentősebb pillanatnyi és indukált töltéseltolódást tesz lehetővé. |
Kapcsolódó érettségi követelmények
Az Oktatási Hivatal 2024-től érvényes részletes követelményeiben középszinten szerepel a diszperziós és dipólus–dipólus kölcsönhatás kialakulása, a hidrogénkötés feltételei és az erősségkülönbségek értelmezése. A halmazokról szóló rész adatból értelmezett kapcsolatot kér a forráspont és a molekulák közötti vonzás között.
A konkrét n-pentán és 2,2-dimetilpropán pár pedagógiai alkalmazás; nem külön, név szerint előírt követelménypont.
Források
Oktatási Hivatal – kémia érettségi részletes vizsgakövetelményei.
NIST Chemistry WebBook és Bureau of Standards – fizikai anyagadatok.
OECD SIDS – hidrogén-klorid anyagadatok.
OpenStax Chemistry 2e – molekulaközi kölcsönhatások és folyadéktulajdonságok.
Royal Society of Chemistry – kiegészítő anyagadatok és Pauling-elektronegativitás.
Következő rész – 1.3.1 Molekulageometria és polaritás
Az alapvető molekulaalakokat és a polaritás kapcsolatát már megismertük. A következő részben ezeket rendszerezzük a VSEPR- és AXmEn-modellel, majd összetettebb, köztük emelt szintű molekulageometriákra alkalmazzuk.