10.1 Aðdráttarkraftar milli sameinda

Aðdráttarkraftar milli sameinda

Námsmarkmið

Þegar þessum kafla lýkur muntu geta:

Lýst þeim tegundum aðdráttarkrafta milli sameinda sem mögulegir eru á milli atóma eða sameinda í þéttum fösum (dreifingar-, tvískauta- og vetnistengi)
Greint þær tegundir aðdráttarkrafta milli sameinda sem tilteknar sameindir verða fyrir á grundvelli byggingar þeirra
Útskýrt sambandið milli aðdráttarkrafta milli sameinda sem eru til staðar í efni og hitastigsins sem tengist breytingum á eðlisástandi þess

Eins og átti við um efni á gasformi má nota hreyfifræðikenningu sameinda til að útskýra hegðun fastra efna og vökva. Í eftirfarandi lýsingu verður hugtakið ögn notað til að vísa til atóms, sameindar eða jónar. Athugaðu að við munum nota hið vinsæla orðatiltæki „aðdráttur milli sameinda“ til að vísa til aðdráttarkrafta milli agna efnis, óháð því hvort þessar agnir eru sameindir, atóm eða jónir.

Íhugaðu þessa tvo þætti umhverfisins á sameindastigi í föstu, fljótandi og loftkenndu efni:

Eindir í föstu efni eru þétt saman og oft raðað í reglulegt mynstur; í vökva eru þær nálægt hvor annarri án reglulegrar fyrirkomulags; í gasi eru þær langt í burtu án reglulegrar fyrirkomulags.
Eindir í föstu efni titra um fastar stöður og hreyfast almennt ekki í samanburði við hvor aðra; í vökva hreyfast þær framhjá hvor annarri en eru í raun í stöðugri snertingu; í gasi hreyfast þær óháð hvor annarri nema þegar þær rekast á.

Munurinn á eiginleikum fasts efnis, vökva eða gass endurspeglar styrk aðdráttarkraftanna milli atóma, sameinda eða jóna sem mynda hvern fasa. Fasinn sem efni er í fer eftir hlutfallslegri stærð aðdráttarkrafta milli sameinda (e. intermolecular forces) (IMF) og hreyfiorku (KE) sameinda þess. IMF eru hinir ýmsu aðdráttarkraftar sem geta verið til staðar milli atóma og sameinda efnis vegna rafstöðufræðilegra fyrirbæra, eins og nánar verður fjallað um í þessari einingu. Þessir kraftar þjóna því hlutverki að halda ögnum nálægt hvor annarri, en hreyfiorka agnanna veitir þá orku sem þarf til að yfirstíga aðdráttarkraftana og auka þannig fjarlægðina milli agna. Mynd 10.2 sýnir hvernig hægt er að framkalla breytingar á eðlisástandi með því að breyta hitastigi, og þar með meðalhreyfiorku, tiltekins efnis.

Three sealed flasks are labeled, “Crystalline solid,” “Liquid,” and “Gas,” from left to right. The first flask holds a cube composed of small spheres sitting on the bottom while the second flask shows a lot of small spheres in the bottom that are spaced a small distance apart from one another and have lines around them to indicate motion. The third flask shows a few spheres spread far from one another with larger lines to indicate motion. There is a right-facing arrow that spans the top of all three flasks. The arrow is labeled, “Increasing K E ( temperature ).” There is a left-facing arrow that spans the bottom of all three flasks. The arrow is labeled, “Increasing I M F.” — Mynd 10.2 Umbreytingar milli fastra, fljótandi og loftkenndra ástanda efnis eiga sér stað þegar aðstæður hitastigs eða þrýstings stuðla að tengdum breytingum á aðdráttarkröftum milli sameinda. (Athugið: Bilið milli agna í gasfasa er mun meira en sýnt er.)

Sem dæmi um ferlana sem sýndir eru á þessari mynd, skulum við íhuga sýni af vatni. Þegar loftkenndu vatni er kælt nægilega mikið, munu aðdráttarkraftarnir milli H₂O sameinda geta haldið þeim saman þegar þær komast í snertingu við hvor aðra; gasið þéttist og myndar fljótandi H₂O. Til dæmis myndast fljótandi vatn utan á köldu glasi þegar vatnsgufan í loftinu er kæld af kalda glasinu, eins og sést á Mynd 10.3.

Image a shows a brown colored beverage in a glass with condensation on the outside. Image b shows a body of water with fog hovering above the surface of the water. — Mynd 10.3 Þétting myndast þegar vatnsgufa í loftinu er kæld nægilega mikið til að mynda fljótandi vatn, svo sem (a) utan á köldu drykkjarglasi eða (b) í formi þoku. (mynd a: breyting á verki eftir Jenny Downing; mynd b: breyting á verki eftir Cory Zanker)

Við getum einnig gert mörg gös fljótandi með því að þjappa þeim saman, ef hitastigið er ekki of hátt. Aukinn þrýstingur færir sameindir gass nær hvor annarri, þannig að aðdráttarkraftarnir milli sameindanna verða sterkir í samanburði við hreyfiorku þeirra. Þar af leiðandi mynda þær vökva. Bútan, C₄H₁₀, er eldsneytið sem notað er í einnota kveikjara og er gas við staðlað hitastig og þrýsting. Inni í eldsneytishólfi kveikjarans er bútaninu þjappað saman við þrýsting sem veldur þéttingu þess í fljótandi ástand, eins og sýnt er á Mynd 10.4.

A butane lighter is shown. — Mynd 10.4 Loftkenndu bútani er þjappað saman innan geymsluhólfs einnota kveikjara, sem leiðir til þéttingar þess í fljótandi ástand. (mynd: breyting á verki eftir „Sam-Cat“/Flickr)

Loks, ef hitastig vökva verður nægilega lágt, eða þrýstingur á vökvann verður nægilega hár, hafa sameindir vökvans ekki lengur næga hreyfiorku til að yfirstíga aðdráttarkrafta milli sameinda (IMF) og fast efni myndast. Ítarlegri umfjöllun um þessar og aðrar ástandsbreytingar, eða fasaskipti, er að finna í síðari einingu þessa kafla.

Kraftar milli sameinda

Við viðeigandi aðstæður munu aðdráttarkraftar milli allra gassameinda valda því að þær mynda vökva eða föst efni. Þetta er vegna aðdráttarkrafta milli sameinda, ekki innan sameindar. Innan sameindar kraftar eru þeir kraftar innan sameindarinnar sem halda henni saman, til dæmis tengin milli atómanna. Millisameindakraftar eru aðdráttarkraftar milli sameinda, sem ákvarða marga af eðliseiginleikum efnis. Mynd 10.5 sýnir þessa mismunandi sameindakrafta. Styrkur þessara aðdráttarkrafta er mjög breytilegur, þó yfirleitt séu aðdráttarkraftar milli lítilla sameinda veikir í samanburði við krafta innan sameindar sem tengja atóm saman innan sameindar. Til dæmis, til að yfirstíga aðdráttarkrafta milli sameinda í einu móli af fljótandi HCl og breyta því í loftkenndan HCl þarf aðeins um 17 kílójúl. Hins vegar, til að rjúfa samgildu tengin milli vetnis- og klóratóma í einu móli af HCl þarf um 25 sinnum meiri orku—430 kílójúl.

An image is shown in which two molecules composed of a green sphere labeled “C l” connected on the right to a white sphere labeled “H” are near one another with a dotted line labeled “Intermolecular force ( weak )” drawn between them. A line connects the two spheres in each molecule and the line is labeled “Intramolecular force ( strong ).” — Mynd 10.5 *Innansameinda*kraftar halda sameind heilli. *Millisameinda*kraftar halda mörgum sameindum saman og ákvarða marga eiginleika efnis.

Allir aðdráttarkraftar milli hlutlausra atóma og sameinda eru þekktir sem van der Waals-kraftar (e. van der waals forces), þótt þeir séu yfirleitt óformlega kallaðir millisameindaaðdráttur. Við munum skoða hinar ýmsu gerðir millisameindakrafta í næstu þremur köflum þessa námshluta.

Dreifingarkraftar

Einn af þremur van der Waals-kröftum er til staðar í öllum þéttum efnisformum, óháð eðli atóma eða sameinda sem mynda efnið. Þessi aðdráttarkraftur er kallaður London-dreifingarkraftur (e. london dispersion force) til heiðurs þýsk-bandaríska eðlisfræðingnum Fritz London sem útskýrði hann fyrst árið 1928. Þessi kraftur er oft einfaldlega kallaður dreifingarkraftur (e. dispersion force). Þar sem rafeindir atóms eða sameindar eru á stöðugri hreyfingu (eða, með öðrum orðum, staðsetning rafeindarinnar er háð skammtafræðilegum breytileika), getur atóm eða sameind á hvaða augnabliki sem er myndað tímabundið, augnabliks tvískaut (e. instantaneous dipole) ef rafeindir þess dreifast ósamhverft. Tilvist þessa tvískauts getur síðan afmyndað rafeindir nágrannaatóms eða -sameindar og myndað framkallað tvískaut (e. induced dipole). Þessi tvö hratt sveiflandi, tímabundnu tvískaut leiða þannig til tiltölulega veiks rafstöðuaðdráttar milli efniseindanna — svokallaðs dreifingarkrafts eins og sýnt er á Mynd 10.6.

Two pairs of molecules are shown where each molecule has one larger blue side labeled “delta sign, negative sign” and a smaller red side labeled “delta sign, positive sign.” Toward the middle of the both molecules, but still on each distinct side, is a black dot. Between the two images is a dotted line labeled, “Attractive force.” In the first image, the red and blue sides are labeled, “Unequal distribution of electrons.” Below both images are brackets. The brackets are labeled, “Temporary dipoles.” — Mynd 10.6 Dreifingarkraftar verða til vegna myndunar tímabundinna tvískauta, eins og hér er sýnt fyrir tvær óskautaðar tvíatóma sameindir.

Dreifingarkraftar sem myndast milli atóma í mismunandi sameindum geta dregið sameindirnar tvær hvor að annarri. Kraftarnir eru þó tiltölulega veikir og verða aðeins marktækir þegar sameindirnar eru mjög nálægt hvor annarri. Stærri og þyngri atóm og sameindir sýna sterkari dreifingarkrafta en minni og léttari atóm og sameindir. F₂ og Cl₂ eru lofttegundir við stofuhita (sem endurspeglar veikari aðdráttarkrafta); Br₂ er vökvi og I₂ er fast efni (sem endurspeglar sterkari aðdráttarkrafta). Þróun í mældum bræðslu- og suðumörkum halógenanna sýnir þessi áhrif greinilega, eins og sést í Tafla 10.1.

Tafla 10.1
Bræðslu- og suðumörk halógenanna
Halógen	Mólmassi	Atómradíus	Bræðslumark	Suðumark
flúor, F₂	38 g/mól	72 pm	53 K	85 K
klór, Cl₂	71 g/mól	99 pm	172 K	238 K
bróm, Br₂	160 g/mól	114 pm	266 K	332 K
joð, I₂	254 g/mól	133 pm	387 K	457 K
astatín, At₂	420 g/mól	150 pm	575 K	610 K

Hækkun bræðslu- og suðumarka með aukinni atóm-/sameindastærð má rökstyðja með því að skoða hvernig styrkur dreifingarkrafta er háður rafeindabyggingu atóma eða sameinda í efninu. Í stærra atómi eru gildisrafeindirnar að meðaltali lengra frá kjörnunum en í minna atómi. Þær eru því lausar í böndum og geta auðveldar myndað tímabundin tvískaut sem valda aðdráttinum. Mælikvarðinn á það hversu auðvelt eða erfitt það er fyrir aðra rafstöðuhleðslu (til dæmis nálæga jón eða skautaða sameind) að afmynda hleðsludreifingu sameindar (rafeindaský hennar) er þekktur sem skautanleiki (e. polarizability). Sameind sem hefur hleðsluský sem afmyndast auðveldlega er sögð vera mjög skautanleg og mun hafa mikla dreifingarkrafta; sú sem hefur hleðsluský sem erfitt er að afmynda er ekki mjög skautanleg og mun hafa litla dreifingarkrafta.

Dæmi 10.1

London-kraftar og áhrif þeirra

Raðaðu eftirfarandi efnasamböndum frumefnis úr flokki 14 og vetnis frá lægsta til hæsta suðumarks: CH₄, SiH₄, GeH₄ og SnH₄. Útskýrðu rökstuðning þinn.

Lausn

Með því að beita þeirri færni sem aflað var í kaflanum um efnatengi og sameindabyggingu er spáð fyrir um að öll þessi efnasambönd séu óskautuð, þannig að þau geta aðeins haft dreifkrafta: því minni sem sameindin er, því minna skautanleg er hún og því veikari eru dreifkraftarnir; því stærri sem sameindin er, því meiri eru dreifkraftarnir. Mólmassar CH₄, SiH₄, GeH₄ og SnH₄ eru um það bil 16 g/mól, 32 g/mól, 77 g/mól og 123 g/mól, í sömu röð. Því er búist við að CH₄ hafi lægsta suðumarkið og SnH₄ það hæsta. Búist er við að röðunin frá lægsta til hæsta suðumarks sé CH₄ < SiH₄ < GeH₄ < SnH₄.

Graf yfir raunveruleg suðumörk þessara efnasambanda á móti lotu frumefnisins úr flokki 14 sýnir að þessi spá er rétt:

Kannaðu þekkingu þína

Raðaðu eftirfarandi kolvetnum frá lægsta til hæsta suðumarks: C₂H₆, C₃H₈ og C₄H₁₀.

Lögun sameinda hefur einnig áhrif á stærð dreifkrafta milli þeirra. Til dæmis eru suðumörk fyrir ísómerana n-pentan, ísópentan og neópentan (sýndir í Mynd 10.7) 36 °C, 27 °C og 9,5 °C, í sömu röð. Jafnvel þótt þessi efnasambönd séu samsett úr sameindum með sömu efnaformúlu, C₅H₁₂, bendir munurinn á suðumörkum til þess að dreifkraftar í vökvafasa séu mismunandi, mestir fyrir n-pentan og minnstir fyrir neópentan. Ílangt form n-pentans veitir stærra yfirborðsflatarmál fyrir snertingu milli sameinda, sem leiðir til samsvarandi sterkari dreifkrafta. Fyrirferðarminni lögun ísópentans býður upp á minna yfirborðsflatarmál fyrir snertingu milli sameinda og þar af leiðandi veikari dreifkrafta. Neópentan-sameindir eru þær fyrirferðarminnstu af þessum þremur, bjóða upp á minnsta tiltæka yfirborðsflatarmálið fyrir snertingu milli sameinda og þar með veikustu dreifkraftana. Þessi hegðun er sambærileg við tengingar sem hægt er að mynda milli VELCRO-franskra rennilása: því meira sem snertiflöturinn er, því sterkari er tengingin.

Three images of molecules are shown. The first shows a cluster of large, gray spheres each bonded together and to several smaller, white spheres. There is a gray, jagged line and then the mirror image of the first cluster of spheres is shown. Above these two clusters is the label, “Small contact area, weakest attraction,” and below is the label, “neopentane boiling point: 9.5 degrees C.” The second shows a chain of three gray spheres bonded by the middle sphere to a fourth gray sphere. Each gray sphere is bonded to several smaller, white spheres. There is a jagged, gray line and then the mirror image of the first chain appears. Above these two chains is the label, “Less surface area, less attraction,” and below is the label, “isopentane boiling point: 27 degrees C.” The third image shows a chain of five gray spheres bonded together and to several smaller, white spheres. There is a jagged gray line and then the mirror image of the first chain appears. Above these chains is the label, “Large contact area, strong attraction,” and below is the label, “n-pentane boiling point 36 degrees C.” — Mynd 10.7 Styrkur dreifkrafta eykst með snertifleti milli sameinda, eins og suðumörk þessara pentan-ísómera sýna.

Efnafræði í daglegu lífi

Gekkóar og millisameindakraftar

Gekkóar hafa ótrúlegan hæfileika til að festast við flest yfirborð. Þeir geta hlaupið hratt upp slétta veggi og yfir loft sem hafa engin fótfestuatriði og þeir gera þetta án þess að hafa sogskálar eða klístrað efni á tánum. Og á meðan gekkó getur auðveldlega lyft fótunum þegar hann gengur eftir yfirborði, þá festist hann við yfirborðið ef þú reynir að taka hann upp. Hvernig geta gekkóar (ásamt köngulóm og sumum öðrum skordýrum) gert þetta? Þótt þetta fyrirbæri hafi verið rannsakað í hundruð ára, afhjúpuðu vísindamenn aðeins nýlega smáatriði ferlisins sem gerir fótum gekkóa kleift að haga sér á þennan hátt.

Tær gekkóa eru þaktar hundruðum þúsunda örsmárra hára sem kallast setae, þar sem hvert seta greinist síðan í hundruð örsmárra, flatra, þríhyrndra enda sem kallast spatulae. Gífurlegur fjöldi spatulae á setae þeirra veitir gekkó, sem sýndur er í Mynd 10.8, stórt heildaryfirborðsflatarmál til að festast við yfirborð. Árið 2000 komst Kellar Autumn, sem leiðir rannsóknarteymi um gekkóa á vegum margra stofnana, að því að gekkóar festust jafn vel við bæði skautaðan kísildíoxíð og óskautað gallíumarseníð. Þetta sannaði að gekkóar festast við yfirborð vegna dreifkrafta – veikra millisameinda aðdráttarkrafta sem stafa af tímabundinni, samstilltri hleðsludreifingu milli aðliggjandi sameinda. Þrátt fyrir að dreifkraftar séu mjög veikir er heildaraðdráttarkrafturinn yfir milljónir spatulae nógu stór til að bera margfalda þyngd gekkósins.

Mynd 10.8 Tær gekkóa innihalda mikinn fjölda örsmárra hára (setae), sem greinast í marga þríhyrningslaga enda (spatulae). Gekkóar festast við yfirborð vegna van der Waals-aðdráttarkrafta milli yfirborðsins og milljóna spaða gekkósins. Með því að breyta því hvernig spaðarnir snerta yfirborðið geta gekkóar „kveikt“ og „slökkt“ á klístri sínu. (myndinneign: breyting á verki eftir „JC*+A!“/Flickr)

Árið 2014 þróuðu tveir vísindamenn líkan til að útskýra hvernig gekkóar geta hratt skipt á milli þess að vera „klístraðir“ og „óklístraðir“. Alex Greaney og Congcong Hu við Oregon State University lýstu því hvernig gekkóar geta náð þessu með því að breyta horninu milli spaðanna og yfirborðsins. Fætur gekkóa, sem venjulega eru ekki klístraðir, verða klístraðir þegar lítill skurðkraftur er beittur. Með því að krulla og rétta úr tánum geta gekkóar skipt á milli þess að festast við og losna frá yfirborði og þannig hreyft sig auðveldlega yfir það. Síðari rannsóknir undir forystu Alyssa Stark við University of Akron sýndu að gekkóar geta haldið gripi sínu á vatnsfælnum flötum (svipuðum laufblöðum í búsvæðum þeirra) jafn vel hvort sem fletirnir voru blautir eða þurrir. Í tilraun Stark var notaður borði til að toga varlega í gekkóana þar til þeir runnu til, svo að rannsakendurnir gætu metið getu gekkóanna til að halda sér á ýmsum flötum við blautar og þurrar aðstæður. Frekari rannsóknir gætu að lokum leitt til þróunar á betri límefnum og annarri hagnýtingu.

Tvípóla-tvípóla aðdráttarkraftar

Rifjum upp úr kaflanum um efnatengi og sameindabyggingu að skautaðar sameindir hafa jákvæða hlutahleðslu á annarri hliðinni og neikvæða hlutahleðslu á hinni hlið sameindarinnar – hleðsluaðskilnað sem kallast tvípóli. Lítum á skautaða sameind eins og vetnisklóríð, HCl. Í HCl-sameindinni ber rafeindadrægara Cl-atómið neikvæðu hlutahleðsluna, en minna rafeindadræga H-atómið ber jákvæðu hlutahleðsluna. Aðdráttarkraftur milli HCl-sameinda stafar af aðdráttinum milli jákvæða enda einnar HCl-sameindar og neikvæða enda annarrar. Þessi aðdráttarkraftur er kallaður tvípóla-tvípóla aðdráttarkraftur (e. dipole-dipole attraction) – rafstöðukrafturinn milli jákvæða hlutans á einni skautaðri sameind og neikvæða hlutans á annarri, eins og sýnt er á Mynd 10.9.

Two pairs of molecules are shown where each molecule has one larger blue side labeled “delta sign, negative sign” and a smaller red side labeled “delta sign, positive sign. In the first pair, the red sides of the two molecules both face to the left and the blue side to the right. A horizontal dotted line lies in between the two. In the second pair, the molecules face up and down, with the red and blue ends aligning. A horizontal dotted line lies between the red and blue ends facing upward and another lies between the red and blue ends facing downward. — Mynd 10.9 Þessi mynd sýnir tvær uppraðanir skautaðra sameinda, eins og HCl, sem leyfa aðdrátt milli neikvæða hlutans á einni sameind og jákvæða hlutans á annarri.

Áhrif tvípóla-tvípóla aðdráttarkrafts verða augljós þegar við berum saman eiginleika HCl-sameinda við óskautaðar F₂-sameindir. Bæði HCl og F₂ samanstanda af sama fjölda atóma og hafa um það bil sama sameindamassa. Við 150 K hitastig hefðu sameindir beggja efna sömu meðalhreyfiorku. Hins vegar eru tvípóla-tvípóla aðdráttarkraftarnir milli HCl-sameinda nægilega sterkir til að valda því að þær „loða saman“ og mynda vökva, á meðan tiltölulega veikari dreifingarkraftar milli óskautaðra F₂-sameinda eru það ekki, og því er þetta efni á gasformi við þetta hitastig. Hærra suðumark HCl við staðalþrýsting (188 K) samanborið við F₂ (85 K) endurspeglar meiri styrk tvípóla-tvípóla aðdráttarkrafta milli HCl-sameinda, samanborið við aðdráttarkraftana milli óskautaðra F₂-sameinda. Við munum oft nota gildi eins og suðu- eða frostmark, eða gufunar- eða bræðsluentalpíur, sem vísbendingar um hlutfallslegan styrk aðdráttarkrafta milli sameinda (IMF) sem eru til staðar í mismunandi efnum.

Dæmi 10.2

Tvípóla-tvípóla kraftar og áhrif þeirra

Spáðu fyrir um hvort mun hafa hærra suðumark: N₂ eða CO. Útskýrðu rökstuðning þinn.

Lausn

CO og N₂ eru báðar tvíatóma sameindir með massa um 28 amu, þannig að þær verða fyrir svipuðum London-dreifingarkröftum. Þar sem CO er skautuð sameind, verður hún fyrir tvípóla-tvípóla aðdráttarkröftum. Þar sem N₂ er óskautuð geta sameindir hennar ekki sýnt tvípóla-tvípóla aðdráttarkrafta. Tvípóla-tvípóla aðdráttarkraftarnir milli CO-sameinda eru sambærilega sterkari en dreifingarkraftarnir milli óskautaðra N₂-sameinda, þannig að búist er við að CO hafi hærra suðumark.

Kannaðu þekkingu þína

Spáðu fyrir um hvort mun hafa hærra suðumark: ICl eða Br₂. Útskýrðu rökstuðning þinn.

Vetnistengi

Nítrósýlflúoríð (ONF, mólmassi 49 amu) er gas við stofuhita. Vatn (H₂O, mólmassi 18 amu) er vökvi, jafnvel þótt það hafi lægri mólmassa. Við getum augljóslega ekki rakið þennan mun á efnasamböndunum tveimur til dreifkrafta. Báðar sameindirnar hafa nokkurn veginn sömu lögun og ONF er þyngri og stærri sameindin. Því er búist við að hún verði fyrir marktækari dreifkröftum. Að auki getum við ekki rakið þennan mun á suðumarki til mismunandi tvískautsvægisstyrks sameindanna. Báðar sameindirnar eru skautaðar og hafa sambærilegan tvískautsvægisstyrk. Stóri munurinn á suðumarkinu stafar af sérstaklega sterkum tvískauts-tvískauts aðdráttarkrafti sem getur myndast þegar sameind inniheldur vetnisatóm sem er tengt við flúor-, súrefnis- eða köfnunarefnisatóm (þrjú rafeindadrægustu frumefnin). Mjög mikill munur á rafeindadrægni milli H-atómsins (2,1) og atómsins sem það er tengt við (4,0 fyrir F-atóm, 3,5 fyrir O-atóm eða 3,0 fyrir N-atóm), ásamt mjög smárri stærð H-atóms og tiltölulega smárri stærð F-, O- eða N-atóma, leiðir til mjög þéttra hlutahleðslna á þessum atómum. Sameindir með F-H, O-H eða N-H einingar dragast mjög sterkt að svipuðum einingum í nálægum sameindum, sem er sérstaklega sterk tegund tvískauts-tvískauts aðdráttarkrafts sem kallast vetnistengi (e. hydrogen bonding). Dæmi um vetnistengi eru HF⋯HF, H₂O⋯HOH og H₃N⋯HNH₂, þar sem vetnistengin eru táknuð með punktum. Mynd 10.10 sýnir vetnistengi milli vatnssameinda.

Five water molecules are shown near one another, but not touching. A dotted line lies between many of the hydrogen atoms on one molecule and the oxygen atom on another molecule. — Mynd 10.10 Vatnssameindir taka þátt í mörgum vetnistengisvíxlverkunum við nálægar vatnssameindir.

Þrátt fyrir notkun orðsins „tengi“ skal hafa í huga að vetnistengi eru aðdráttarkraftar milli sameinda, ekki aðdráttarkraftar innan sameindar (samgild tengi). Vetnistengi eru mun veikari en samgild tengi, aðeins um 5 til 10% jafn sterk, en eru almennt mun sterkari en aðrir tvískauts-tvískauts aðdráttarkraftar og dreifiskraftar.

Vetnistengi hafa áberandi áhrif á eiginleika þéttra fasa (vökva og fastra efna). Íhugið til dæmis þróunina í suðumörkum tvíefnahýdríða í hóp 15 (NH₃, PH₃, AsH₃ og SbH₃), hýdríða í hóp 16 (H₂O, H₂S, H₂Se og H₂Te) og hýdríða í hóp 17 (HF, HCl, HBr og HI). Suðumörk þriggja þyngstu hýdríðanna í hverjum hóp eru sýnd á mynd Mynd 10.11. Þegar við förum niður hvern þessara hópa minnkar skautun sameindanna lítillega, en stærð sameindanna eykst verulega. Áhrif sífellt sterkari dreifiskrafta eru ríkjandi yfir áhrifum sífellt veikari tvískauts-tvískauts aðdráttarkrafta og sést að suðumörkin hækka jafnt og þétt.

A line graph is shown where the y-axis is labeled “Boiling point (, degree sign, C )” and has values of “ negative 150” to “150” from bottom to top in increments of 50. The x-axis is labeled “Period” and has values of “0” to “5” in increments of 1. Three lines are shown on the graph and are labeled in the legend. The red line is labeled as “halogen family,” the blue is “oxygen family” and the green is “nitrogen family.” The first point on the red line is labeled “question mark” and is at point “2, negative 120”. The second point on the line is labeled “H C l” and is at point “3, negative 80” while the third point on the line is labeled “H B r” and is at point “4, negative 60”. The fourth point on the line is labeled “H I” and is at point “5, negative 40.” The first point on the green line is labeled “question mark” and is at point “2, negative 125.” The second point on the line is labeled “P H, subscript 3” and is at point “3, negative 80” while the third point on the line is labeled “A s H, subscript 3” and is at point “4, negative 55.” The fourth point on the line is labeled “S b H, subscript 3” and is at point “5, negative 10.” The first point on the blue line is labeled “question mark” and is at point “2, negative 80.” The second point on the line is labeled “H, subscript 2, S” and is at point “3, negative 55” while the third point on the line is labeled “H, subscript 2, S e” and is at point “4, negative 45.” The fourth point on the line is labeled “H, subscript 2, T e” and is at point “5, negative 3.” — Mynd 10.11 Fyrir hýdríð í hópum 15, 16 og 17 hækkar suðumark hvers efnasambandaflokks með auknum sameindamassa fyrir frumefni í lotum 3, 4 og 5.

Ef við notum þessa þróun til að spá fyrir um suðumörk léttasta hýdríðsins í hverjum hóp, myndum við búast við að NH₃ syði við um það bil −120 °C, H₂O syði við um það bil −80 °C og HF syði við um það bil −110 °C. Hins vegar, þegar við mælum suðumörk þessara efnasambanda, komumst við að því að þau eru verulega hærri en þróunin myndi spá fyrir um, eins og sýnt er á mynd Mynd 10.12. Hin mikla andstæða milli einfeldningslegra spádóma okkar og raunveruleikans gefur sannfærandi vísbendingar um styrk vetnistengja.

A line graph is shown where the y-axis is labeled “Boiling point, ( degree sign, C )” and has values of “negative 150” to “150” from bottom to top in increments of 50. The x-axis is labeled “Period” and has values of “0” to “5” in increments of 1. Three lines are shown on the graph and are labeled in the legend. The red line is labeled as “halogen family,” the blue is “oxygen family” and the green is “nitrogen family.” The first point on the red line is labeled “H F” and is at point “2, 25.” The second point on the line is labeled “H C l” and is at point “3, negative 80” while the third point on the line is labeled “H B r” and is at point “4, negative 60.” The fourth point on the line is labeled “H I” and is at point “5, negative 40.” The first point on the green line is labeled “N H, subscript 3” and is at point “2, negative 40.” The second point on the line is labeled “P H, subscript 3” and is at point “3, negative 80” while the third point on the line is labeled “A s H, subscript 3” and is at point “4, negative 55.” The fourth point on the line is labeled “S b H, subscript 3” and is at point “5, negative 10.” The first point on the blue line is labeled “H, subscript 2, O” and is at point “2, 100.” The second point on the line is labeled “H, subscript 2, S” and is at point “3, negative 55” while the third point on the line is labeled “H, subscript 2, S e” and is at point “4, negative 45.” The fourth point on the line is labeled “H, subscript 2, T e” and is at point “5, negative 3.” — Mynd 10.12 Í samanburði við lotur 3–5 sýna tvíefnahýdríð frumefna í lotu 2 í hópum 17, 16 og 15 (F, O og N, í sömu röð) óeðlilega hátt suðumark vegna vetnistengja.

Dæmi 10.3

Áhrif vetnistengja á suðumörk

Íhugið efnasamböndin dímetýleter (CH₃OCH₃), etanól (CH₃CH₂OH) og própan (CH₃CH₂CH₃). Suðumörk þeirra, ekki endilega í réttri röð, eru −42,1 °C, −24,8 °C og 78,4 °C. Pörið hvert efnasamband við suðumark þess. Útskýrið rökstuðning ykkar.

Lausn

Lögun CH₃OCH₃, CH₃CH₂OH og CH₃CH₂CH₃, samkvæmt VSEPR-líkaninu, er svipuð, eins og sameindamassar þeirra (46 g/mól, 46 g/mól og 44 g/mól, í sömu röð), þannig að þau munu sýna svipaða dreifiskrafta. Þar sem CH₃CH₂CH₃ er óskautað getur það aðeins sýnt dreifiskrafta. Vegna þess að CH₃OCH₃ er skautað mun það einnig verða fyrir tvískauts-tvískauts aðdráttarkröftum. Að lokum hefur CH₃CH₂OH –OH hóp og mun því verða fyrir einstaklega sterkum tvískauts-tvískauts aðdráttarkrafti sem kallast vetnistengi. Þannig að röðunin hvað varðar styrk millikrafta (IMFs), og þar með suðumark, er CH₃CH₂CH₃ < CH₃OCH₃ < CH₃CH₂OH. Suðumark própans er −42,1 °C, suðumark dímetýleters er −24,8 °C og suðumark etanóls er 78,5 °C.

Kannaðu þekkingu þína

Etan (CH₃CH₃) hefur bræðslumark −183 °C og suðumark −89 °C. Spáið fyrir um bræðslumark og suðumark metýlamíns (CH₃NH₂). Útskýrið rökstuðning ykkar.

Hvernig vísindagreinar tengjast

Vetnistengi og DNA

Deoxýríbósakjarnsýra (DNA) finnst í öllum lifandi lífverum og inniheldur erfðaupplýsingarnar sem ákvarða eiginleika lífverunnar, er grunnurinn að gerð próteina sem eru nauðsynleg fyrir líf og þjónar sem sniðmát til að koma þessum upplýsingum áfram til afkvæma lífverunnar. DNA-sameind samanstendur af tveimur (and-)samsíða keðjum af endurteknum kirnum, sem mynda hina vel þekktu tvöfalda gormbyggingu, eins og sýnt er á Mynd 10.13.

Mynd 10.13 Tvær aðskildar DNA-sameindir mynda tvíþátta gorm þar sem sameindunum er haldið saman með vetnistengjum. (heimild: breyting á verki eftir Jerome Walker, Dennis Myts)

Hvert kirni inniheldur (deoxýríbósa) sykur sem er bundinn við fosfathóp á annarri hliðinni og einn af fjórum köfnunarefnisbösum á hinni. Tveir af bösunum, cýtósín (C) og týmín (T), eru einhringja byggingar þekktar sem pýrimídín. Hinir tveir, adenín (A) og gúanín (G), eru tvíhringja byggingar sem kallast púrín. Þessir basar mynda uppfyllandi basapör sem samanstanda af einu púríni og einu pýrimídíni, þar sem adenín parast við týmín og cýtósín við gúanín. Hvert basapar er haldið saman með vetnistengjum. A og T deila tveimur vetnistengjum, C og G deila þremur og báðar pöranir hafa svipað form og byggingu Mynd 10.14.

Mynd 10.14 Lögun basasameindanna leiðir til hámarks vetnistengja milli adenín og týmín (AT) og milli gúanín og cýtósín (GC), svokölluð „uppfyllandi basapör“.

Uppsöfnuð áhrif milljóna vetnistengja halda tveimur þáttum DNA saman á áhrifaríkan hátt. Mikilvægt er að tveir þættir DNA geta tiltölulega auðveldlega „opnast“ niður eftir miðju þar sem vetnistengi eru tiltölulega veik miðað við samgildu tengin sem halda frumeindum einstakra DNA-sameinda saman. Þetta gerir báðum þáttum kleift að virka sem sniðmát fyrir afritun.