نیروهای بین مولکولی

[azarafrooz 14,221]

شیمی نيروهاي واندروالسي

 

نيروهاي واندروالسي بر خلاف نيروهاي دو قطبي- دو قطبي و هيدروژني شكل خاص و جهت تعريف شده اي ندارد . اين نيروها اولين بار توسط واندروالس فيزيك دان هلندي با به كار گيري تصحيحاتي در قانون گاز ايده ال مطرح و به عنوان تخميني از اين نيروها به دست آمد ،و با وجود ضيعف بودن قابل اهميت هستند .

 

يك نيروي واندروالسي در يك مولكول وقتي به وجود مي آيد كه مركز بارهاي مثبت و مركز بارهاي منفي منطبق نباشد. درچنين موقعي گفته مي شود كه مولكول دو قطبي هاي الكتريكي دارد .

 

در سيستمهاي مولكولي كه دو قطبي ها حالت دائمي دارند (مولكولهاي قطبي ) نيروهاي واندروالسي به جهت گيري نسبي و مكان مولكولها وابستگي شديدي دارند. اين نيروها با توان ششم فاصله بين دو قطبي ها نسبت معكوس دارند و لذا اين نيروها در فواصل بسيار كم ظاهر مي شوند . نيروهاي دو قطبي در تعيين درجه به هم فشردگي صفوف منظم مولكولها دربلورها نقش مهمي دارند .

 

در سيمستم هايي كه دو قطبي ها حالت دائمي ندارند ، اجزاي سيستم درمعرض تاثيراتي كاملا متفاوت هستند اين تاثيرات عمدتا بدين شكل است كه در يك سيستم اتمي يا مولكولي ، توضيح بار الكتروني مي تواند به واسطه نزديك شدن كافي اتمها يا مولكولها به يكديگر تبديل كند و بدين ترتيب در تك تك اجزاي سيستم يك دو قطبي به وجود مي آيد . بعضي مواقع نيروهاي جاذبه بين يك جفت از اين دو قطبي ها نيروي پراكندگي مي نامند . اين نيروها نيروهاي لاندن نيز ناميده مي شوند. با افزايش تعداد الكترونها در اتم ها يا مولكولها و نيز تغيير توضيح بار الكتريكي به صورت ساده تر توسط يك ميدان الكتريكي، نيروهاي پراكندگي مي توانند افزايش يابند . نقطه جوش يك مايع ميزان تقريبي از نيروهاي جاذبه بين مولكولي اجزاي تشكيل دهنده آن مايع مي باشد با مقايسه نقاط جوش معايعاتي كه دو قطبي هايي دائمي ندارند مي توان يك ارزيابي تقريبي از مقادير نيروهاي پراكندگي به دست آورد با توجه به ساختمان الكتروني هر جسم نيروهاي پراكندگي يا لاندن يك خاصيت كلي ماده به حساب مي آيد در سيستم هاي كه قابليت قطبي شدن اجزاي تشكيل دهنده آنها زياد است انرژي جاذبه بزرگ مي باشد.جهت گيريهاي مختلفي كه دو قطبي هاي مي توانند نسبت به يكديگر داشته باشند.

 

شكل هاي هندسي مولكولها ( مفهوم دافعه جفت الكتروني )

 

جهت گيري مجموعه اي از اتم ها در تشكيل مولكول معيني را مي توان بر پايه دافعه الكتروستا تيكي در بين جفت الكترونها به طور كيفي توضيح داد در به كارگيري اين مفهوم تراز والانس اتم مركزي مورد توجه مي باشد.

 

اتم هايي كه در تراز والانس خود فقط دو الكترون دارند . دو پيوند كووالانسي با دو اتم ديگر مي توانند ايجاد كنند . آرايش اين مولكولها چنان است كه در آن دو پيوند جفت الكتروني بايد حداكثر جدايي را داشته باشند تا دافعه الكتروستاتيكي بين آنها حداقل باشد لذا مولكولهاي نوع B:A:B بدون استثنا خطي هستند.

 

اگر اتم مركزي درتراز والانس خود سه الكترون داشته و هر سه در تشكيل پيوند كووالانس شركت كنند هر يك از زواياي پيوندي مولكول 120 درجه خواهد بود و مولكول مثلثي و مسطح مي باشد چون اتم قلع در لايه والانس كه خود چهار الكترون دارد و هر اتم كلر يك الكترون براي تشكيل پيوند در اختيارمي گذارد. شش الكترون فوق سه جهت تشكيل مي دهند اين سه جفت آرايش مسطح مثلثي به خود مي گيرند شكل يك مولكول به حذف موقيعت اتم هاي تشكيل دهنده آن و نه الكترون آن بيان مي شود لذاSnCl2 زاويه دار توصيف مي گردد به همين دليل در مولكولهاي متان CH4 چهار جفت الكترون پيوندي وجود دارد و در اصل حداقل دافعه الكتروستاتيكي زماني ايجاد مي گردد كه زواياي پيوندي 109 28 . H-c-H باشند و لذا آرايش مولكول چهار وجهي خواهد بود. در مولكولهاي NH3 از مجموع چهار جفت الكترون سه جفت پيوندي و يك جفت غير پيوندي است و لذا زاويه هاي H-N-H‌ درحدود 107 درجه بوده و مولكول هرم مثلثي مي باشد . از مجموع چهار جفت الكترون موجود در H2O دو جفت پيوندي و دو جفت غير پيوندي است از اين رو آرايش اتم ها درمولكول فوق به شكل v زاويه داربوده و زواياي H-O-H 105 درجه خواهد بود .

 

به همين ترتيب براي مولكولهايي كه اتم مركزي در آنها 5 جفت الكترون ( پيوندي يا غير پيوندي ) و يا شش جفت الكترون دارند هر كدام شكل خاصي خواهند داشت .

 

هيبريد شدن

 

نظر به اينكه تعداد پيوند كووالانسي كه يك عنصر مي تواند تشكيل دهد معمولا با تعداد الكترونهاي جفت نشده دراوربيتالهاي نيم پر تعيين ميگردند كربن از اين لحاظ يك وضعيت مخصوصي دارد. تقريبا در تمامي تركيب هاي عالي كربن كووالانسي چهار را نشان مي دهد. كربن در حالت پايه در لايه ظرفيت خود دو الكترون زوج نشده دارد ولي در حالت تحريك شده يك الكترون از اوربيتال 2s به اوربيتال خالي 2p رفته و تعداد الكترونهاي زوج نشده خود را به چهار مي رساند يكي در 2s و سه تا در 2p . چنانچه اين چهار اوربيتال از لحاظ رياضي مخلوط شوند يك اتم تحريك شده با چهار اوربيتال يكسان نتيجه مي گردد. انرژي چهار اوربيتال حاصل بوده و ميانگين از انرژي يك اوربيتال 2s و سه اوربيتال2p‌ مي باشد . اوربيتالهاي مخصوص شده فوق اوربيتالهاي هيبريدي sP3 ناميده مي شود . تئوري شيميايي پيشگويي مي كند كه اوربيتالهاي SP3 فوق بايد ازاتم كربن به طرف گوشه هاي يك چهار وجهي جهت گرفته باشند اگر چهار اوربيتال SP3 با اوربيتال 1s‌ چهار اتم هيدروژن همپوشاني ناميده چهار اوربيتال مولكولي پيوندي از نوع سيگما حاصل مي گردد. مولكول نتيجه شده cH4 بايد اتم كربن را در مركز و چهار اتم هيدروژن را در گوشه هاي يك چهاروجهي منظم داشته باشد.

 

اطلاعات تجربي با پيش بيني فوق مطابقت نشان مي دهد لذا در مولكول متان cH4 كه جزء اصلي گاز طبيعي است چهار پيوند كووالانسي c-H‌ از مركز يك چهار وجهي منظم به طرف گوشه هاي آن آرايش مي يابند كه كربن در مركز اين چهاروجهي قرار دارد و زواياي پيوندي 5/109 مي باشد هرچهار پيوند طول يكساني دارند انرژي لازم براي شكستن هر يك از پيوندها يكسان خواهد بود (kcal 102 ) از اين رو پيوندها بايد معادل باشند . از فرايند هيبريد شدن چه نكاتي را كسب مي كنيم و اوربيتال هاي تحريك شده با انرژي بالاتر چه استفاده اي دارند؟ اول اينكه از كربن و هيدروژن چهار پيوند متعادل مي توانيم تشكيل دهيم و نه دو پيوند . لذا با تشكيل چهار پيوند انرژي مولكول را پايين مي آوريم ضمن اينكه اگر يك اوربيتال 2s‌ و سه اوربيتال 2p ‌ در حالت تحريك شده مي خواستند پيوند بدهند بدون هيبريد شدن چهار پيوند غير يكسان حاصل مي شود معهذا استفاده از اوربيتالهاي هيبريدي تشكيل پيوندهاي قويتر را ممكن مي سازد چون اوربيتالهاي sP3 خاصيت همپوشاني بهتري نشان مي دهند . ثانيا ساختمان چهار وجهي اوربيتالهاي sP3 ‌ بيشترين جدايش فضايي را براي چهار پيوند فراهم مي كند و از اين رو مولكول انرژي كمتري داشته و پايدارتر خواهد بود . در مورد بور(B) اوربيتالهاي هيبريدي sP2 به تعداد سه اوربيتال حاصل مي شود كه از اتم بور به طرف گوشه هاي يك سه گوش مسطح ( با زاويه پيوندي 120 درجه ) آرايش مي يابند .

 

هيبريد شدن بريليم دو اوربيتال هيبريدي sP نتيجه مي دهد كه با تشكيل زاويه 180 درجه فرم خطي به خود مي گيرد .

 

آزمايش دوم رادرفورد

 

اولين بار پرتوهاي الفا كه داراي بار مثبت بودند را به يك ورقه بسيار نازك از جنس طلا تاباند( زيرا طلا را مي توان به صورت ورقه هاي بسيار نازك تبديل كرد و او نيز مي خواست به اتم ها نزديك تر شود ) تعداد بيشتري از پرتوهاي الفا در مسير مستقيم از ورقه هاي طلا عبور كردند بعضي از پرتوها هنگام عبور از مسير منحرف مي شوند و تعداد معدودي هم با زاويه كمتر از180 درجه از سطح ورقه باز مي گشتند رادرفورد از اين كه بيشتر پرتوها به طور مستقيم عبور مي كردند نتيجه گرفت : كه بيشتر فضاي اتم را فضاي خالي تشكيل ميدهد از اينكه بعضي از پرتوها از مسير مستقم منحرف مي شوند نتيجه گرفت كه : حتما در درون اتم فضاي ، جرمي ، حجم كوچكي است كه داراي بار الكتريكي مثبت مي باشد ( زيرا بارهاي مثبت است و درون اتم هم بارمثبت است پس بنابراين دو بار هم نام از هم دور مي شوند و عامل انحراف مي شود.)