Ionic bond, e.g. Na+Cl- ~400-4000 kJ/mol Intermolecular ...chem.flas.kps.ku.ac.th › SLIDE › SLIDE-01403312-53... · 4 Intermolecular Forces 2. แรงขั้วคู -ขั้วคู

26/07/55

1

IntermolecularForces

Intermolecular Forces

Dr. Piched Anuragudom

Faculty of Liberal Art and Science

Department of Chemistry

Kasetsart University


• แรงระหวางโมเลกุล (intermolecular force)

ทําใหโมเลกุลยึดกัน

แรงระหวางโมเลกุล ของแข็ง > ของเหลว > แกส

Much weaker ~0.05-40 kJ/mol

• แรงภายในโมเลกุล (intramolecular force)

แรงท่ีดึงดูดอะตอมไวดวยกันในโมเลกุล

คือพันธะเคมี

Ionic bond, e.g. Na+Cl- ~400-4000 kJ/mol

Covalent bond, e.g. H2, CH4, etc. ~150-1200 kJ/mol

(the O-H bond energy in H2O is 934 kJ/mol

Metallic bond, e.g. Au, Fe, etc. ~75-1000 kJ/mol


Intermolecular vs Intramolecular

• 41 kJ to vaporize 1 mole of water (inter)

• 930 kJ to break all O-H bonds in 1 mole of water (intra)

Generally,intermolecularforces are muchweaker thanintramolecularforces.

“Measure” of intermolecular force

boiling point

melting point

DHvap

DHfus

DHsub




They are, however, strong enough to control physical properties such asboiling and melting points, vapor pressures, and viscosities.

These intermolecular forces as a group are referred to asvan der Waals forces.

26/07/55

2


ชนิดของแรงระหวางโมเลกุล

• แรงแวนเดอรวาลส (van der Waals Forces)

แรงขั้วคู – ขั้วคู (dipole – dipole forces)

แรงขั้วคู – ขั้วคูเหน่ียวนํา (dipole – induced dipole forces)

แรงการกระจาย (Dispersion forces)

• แรงไอออน – ขั้วคู (Ion-dipole force)

• แรงไอออน-ขั้วคูเหน่ียวนํา (Ion-induced dipole force)

• พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond)

• หมายเหตุ Hydrogen bond เปน dipole-dipole force ชนิดพิเศษIntermolecular

Forces

(van der Waals force)

แรงแวนเดอรวาลส


• ชวงพลังงาน 5-25 kJ/mol

J. D. van der Waals

….

แรงดึงดูดแรงผลัก(ไมเกิด)

ตัวอยาง I-Cl I-Cl I-Cl…. ….

1. แรงข้ัวคู - ข้ัวคู (dipole–dipole forces)

- เกิดระหวาง polar molecules- เรียก permanent dipole bond ก็ได (พันธะขั้วคูถาวร)- ทําใหโมเลกุลจัดตัวเพื่อมีแรงดึงดูดสูงสุด


8

ข้ัวของโมเลกลุ

โมเลกุลไมมีขั้ว โมเลกุลมีข้ัว

โมเลกุลท่ีมีขั้ว คือโมเลกุลท่ีมีโมเมนตขั้วคู (Dipole moment, D)

มีขั้วมาก D มาก

26/07/55

3


Dipole-Dipole Interactions

• Molecules that havepermanent dipoles areattracted to each other.

The positive end of one isattracted to the negativeend of the other and vice-versa.

These forces are onlyimportant when themolecules are close toeach other.


H Fd d+

--

H Fd d+

--

HF,

Hd+

Hd+

Hd+

Hd+

Hd+

Hd+

d-

d-d-

H2O,

H Cl Cl H Cl

......... .........H

- polar molecule ที่มี dipole moment สูง (แรง d-d มาก) เชน HCl HBr HI H2S NH3


11

แรงดึงดูดของ HCl (ขั้วคู - ขั้วคู)


Dipole-Dipole Interactions

The more polar the molecule, the higheris its boiling point.

26/07/55

4


2. แรงขั้วคู-ขั้วคูเหนี่ยวนํา (dipole- induced dipole forces)

- เกิดระหวาง polar molecule กับ non-polar moleculeเชน H2O กับ I2

- ความแข็งแรง 2-10 kJ/molตัวอยาง

H Cl lC lC-----

โมเลกุลท่ีถูกเหน่ียวนําใหมีขั้ว

โมเลกุลมีขั้ว


อะตอมมีการกระจายประจุเปนรูปทรงกลม

- ++ เมื่อมีไอออนบวกเขามาใกล การกระจายประจุจะบิดเบ้ียวไปจากเดิม

- +

- +

- + เมื่อมโีมเลกุลข้ัวคูเขามาใกล การกระจายประจุจะบิดเบ้ียวไปจากเดิม

การเกิดโมเลกุลข้ัวคูเหน่ียวนํา (induce dipole)


• โมเลกุลท่ีมีขั้ว (green arrow) จะเหน่ียวนําให

โมเลกุลท่ีไมมีขั้ว (yellow arrow) เกิดภาวะท่ี

เปนขั้วคูเหน่ียวนําได

• โมเลกุลท่ีไมมีขั้ว (yellow arrow) จะมีการ

จัดเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกันกับโมเลกุลมีขั้ว

• แรงดึงดูดระหวางโมเลกุลท่ีมีขั้วกับขั้วคู

เหน่ียวนํา เรียกวา แรงข้ัวคู-ข้ัวคูเหน่ียวนํา

แรงขั้วคู-ขั้วคูเหนี่ยวนํา (dipole- induced dipole forces)

แรงขั้วคู-ขั้วคูเหนี่ยวนํา (dipole- induced dipole forces)

IntermolecularForces16

- เกิดระหวางโมเลกุล ท่ีเปน non-polar moleculesเชน H2 กับ I2

- ถามีขนาดของโมเลกุลใหญ (จํานวนอิเล็กตรอนมาก)ก็จะยิ่งมีแรงชนิดน้ีมากขึ้นดวย เชน CH3F มีจุดหลอมเหลว –141.8 oCแต CCl4 กลับมีจุดหลอมเหลว –23 oC ท้ังๆ ท่ี CCl4 เปนโมเลกุลท่ีไมมีขั้ว แต CH3F เปนโมเลกุลท่ีมีขั้ว

3. แรงแผกระจาย (dispersion forces)

26/07/55

5


- เกิดจากหมอกอิเล็กตรอน ที่มีสภาพมีขั้วได (polarizable)

polarizable

เดิม

ความแข็งแร็ง 0.05-40 kJ/mol

ตัวอยาง F F F F-----

ขึ้นกับมวลโมเลกุล ยิ่งมวลโมเลกุลมากจะมีอิเล็กตรอนมาก ถูกเหน่ียวนําใหเกิดขั้วคูช่ัวขณะ(instantaneous dipole)ไดงาย

Dispersion forces


Fritz London

• สภาพมีขั้วได (Polarizability)

• ขั้วคูชั่วขณะ (instantaneous dipole)

• การดึงดูดกันของขั้วคูชั่วขณะ แปรผันตรงกบัสภาพมีขั้วไดของอะตอมและโมเลกุลน้ันFritz London

(1900-1954)


London Dispersion Forces

electrons ท่ีอยูใน 1s orbital ของ helium ควรจะมีการผลักซ่ึงกันและกัน แตส่ิงท่ีเกิดขึ้นคือมันมีการหมุนขึ้นอยูในดานเดียวกันของอะตอมเปนครั้งคราว



อะตอมของhelium เปนอะตอมท่ีมีข้ัว (polar) ซ่ึงมีอิเล็กตรอนจํานวนมากอยูดานซาย และขาดแคลนทางดานขวา

ฮีเลียมในบริเวณใกลเคียง จะมีการเหน่ียวนําข้ัวอยูในน้ัน ท่ีอิเล็กตรอนท่ีอยูดานซายของฮีเลียมอะตอมท่ี 2 จะผลักกลุมหมอกอิเล็กตรอนบนฮีเลียมอะตอมท่ี 1

26/07/55

6



London dispersion forces หรือ dispersion forces เปนแรงดึงดูดระหวางขั้วคูช่ัวขณะ (instantaneous dipole) และ ข้ัวคูเหน่ียวนํา (induced dipole)

• แรงเหลาน้ีจะพบอยูในทุกโมเลกุลไมวาจะโมเลกุลน้ันจะมีข้ัวหรือไมมีข้ัว

• แนวโนมของกลุมหมอกอิเล็กตรอนท่ีจะบิดเบ้ียว (distort) ในลักษณะน้ีเรียกวา polarizability



• แรงเหลาน้ีจะพบอยูในทุกโมเลกุลไมวาจะโมเลกุลน้ันจะมีข้ัวหรือไมมีข้ัว

• แนวโนมของกลุมหมอกอิเล็กตรอนท่ีจะบิดเบ้ียว (distort) ในลักษณะน้ีเรียกวา polarizability.


การเกิดข้ัวช่ัวขณะของฮเีลียม (He)

เปนแรงดึงดูดออนๆ


ปจจัยท่ีมีผลตอแรงแผกระจาย

• รูปรางของโมเลกุลจะมีผลตอความแข็งแรงของ dispersion forces :โมเลกุลยาวโมเลกุลผอม (เชน n-pentane มักจะมี dispersion forcesแข็งแรงกวา โมเลกุลท่ีส้ันและอวน (เชน neopentane)

• เหตุผลน้ี อันเน่ืองมาจากการท่ีมีพื้นท่ีผิวท่ีเพิ่มขึ้นในโมเลกุลของ n-pentane

26/07/55

7


ปจจัยท่ีมีผลตอแรงแผกระจาย

• ความแรงของ dispersion forces มีแนวโนมท่ีจะเพิ่มขึ้น เมื่อนํ้าหนักโมเลกุลเพิ่ม

• อะตอมขนาดใหญจะมีกลุมหมอกอิเล็กตรอนท่ีมีขนาดใหญ ซ่ึงจะงายตอการpolarize Intermolecular

Forces

S

What type(s) of intermolecular forces exist betweeneach of the following molecules?

HBrHBr is a polar molecule: dipole-dipole forces. There arealso dispersion forces between HBr molecules.

CH4

CH4 is nonpolar: dispersion forces.

SO2

SO2 is a polar molecule: dipole-dipole forces. There arealso dispersion forces between SO2 molecules.

11.2


แรงอันไหนมีผลมากกวากนัระหวางDipole-Dipole Interactions or Dispersion Forces?

• หากท้ังสองโมเลกุลมีขนาด และรูปรางเทียบเทา หรือสามารถเปรียบเทียบกันได ดังน้ันแนวโนมท่ีจะเกิด dipole-dipoleinteractions จะมีมากกวา

• หากหน่ึงโมเลกุลมีขนาดใหญกวาอีกโมเลกุล , dispersion forcesมักจะเปนตัวกําหนดคุณสมบัติทางกายภาพของมัน


แรงไฟฟาสถิต: แรงไอออน – ข้ัวคู(Ion-Dipole Interactions)

• A fourth type of force, ion-dipole interactions are an importantforce in solutions of ions.

• The strength of these forces are what make it possible for ionicsubstances to dissolve in polar solvents.

- เกิดระหวางไอออนกับ polar molecule- ความแรง (strength) ของแรงน้ี ขึ้นกับ

* ประจุ ขนาดของไอออน * ขนาด dipole moment* ขนาดโมเลกุล

26/07/55

8


ไอออน ขั้วคู

+ - +

แรงไฟฟาสถิต: แรงไอออน - ขั้วคู

A molecular picture showing the ion-dipole interaction that helps a solid ionic crystaldissolve in water. The arrows indicate ion-dipole interactions.


แรงไฟฟาสถิต: แรงไอออน - ขั้วคูNaCl ในนํ้า


31ปฏิกิริยาไฮเดรชัน (Hydration)

แคตไอออน แอนไอออน

แรงไฟฟาสถิตแรงไอออน-ขั้วคู (Ion-dipole forces)


11.2

26/07/55

9


- เกิดระหวางไอออนกับ nonpolar molecule ซ่ึงถูกแรงดึงดูดจากไอออนเหน่ียวนําอิเล็กตรอนใหเคล่ือนท่ีไปขางใดขางหน่ึง เกิด dipole ขึ้นได เรียกวา induced dipole- ความแรงขึ้นอยูกับ

1. ประจุไอออน2. polarizability

- เกิดช่ัวคราว

แรงไอออน–ข้ัวคูเหน่ียวนํา(ion–induced dipole forces)


การเกดิข้ัวคูเหน่ียวนํา

ข้ัวคูเหนีย่วนํา

+

ไอออนบวก

+

ไอออนบวก โมเลกุลไมมีข้ัว นําไอออนบวกหรือโมเลกุลท่ีมีข้ัว มาใกลกับโมเลกุลท่ีไมมีข้ัวจะเกิดการเหนีย่วนําใหมีข้ัว


โมเลกุลไมมีขั้ว

+

แคตไอออน โมเลกุลที่ถูกเหน่ียวนําใหมีขั้ว

- ความแข็งแรง 3-15 kJ/mol- ตัวอยาง Fe2+--- O2

แรงไอออน-ข้ัวคูเหน่ียวนํา (Ion-Induced dipole forces)


- เปนพันธะแบบพิเศษของ dipole-dipole forces

- เกิดระหวางอะตอม H (EN = 2.2) ใน polar bond กับ อะตอมท่ีมีคา EN สูง

เชน F (EN = 4.0); F-H, O (EN = 3.5); O-H, N (EN = 3.0); N-H- เปนพันธะท่ีแข็งแรง คาพลังงาน 10 – 40 kJ/mol- เชน H2O กับ NH3

พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond)

26/07/55

10


Hydrogen Bonding


38

เอธานอล มีพันธะไฮโดรเจน และ ขั้วคู-ขั้วคู

ไดเอธิลอีเทอรไมมีพันธะไฮโดรเจน แตมี ขั้วคู-ขั้วคู

CH3CH2OH CH3OCH3

ตัวอยางพนัธะไฮโดรเจน


39

เมธานอล H3C-OH

O

H

H

H

H CH

OC

HH H

กรดอะซิติก H3CCOOH



40

NHH C C

O

3 2N

O

H

H O

HH

H

H C

H

H

C

H

H

C

C

N

N

O H

H O H

H

H

H C

H

HC

H

H

C C

N


26/07/55

11


41

• ถาอะตอม Y เปนอะตอมเล็ก ท่ีมีอิเล็กตรอนคูโดดเดี่ยว

N-H ---Y < O-H ---Y < F-H ---Y

• ถาเปนอะตอมตางชนิดกัน

X-H ---F > X-H ---O > X-H ---N

• ถาเปนอะตอมชนิดเดียวกัน

N-H ---N < O-H ---O < F-H ---F

ความแขง็แรงของพันธะไฮโดรเจน


Why is the hydrogen bond considered a“special” dipole-dipole interaction?

Decreasing molar massDecreasing boiling point

11.2

O, N, F small size, Large electronegativities strong H-bonds

exceptions

ผลของพันธะไฮโดรเจน ทําใหจุดหลอมเหลวสูง


43

HBr กับ H2Sท้ังสองตัวเปนโมเลกุลมีขั้ว จึงเปนแรงดึงดูดแบบขั้วคู-ขั้วคู

Cl2 กับ CBr4 ท้ังสองตัวเปนโมเลกุลไมมีขั้ว จึงเปนแรงดึงดูดแบบแรงการกระจาย

I2 กับ NO3- I2 เปนโมเลกุลไมมีขั้ว จึงดึงดูด กับ NO3

-

ดวยแรงไอออน-ขั้วคูเหน่ียวนํา

NH3 และ C6H6 NH3 เปนโมเลกุลมีขั้ว สวน C6H6 ไมมีขั้วจึงดึงดูด กันดวยแรงขั้วคู-ขั้วคูเหน่ียวนํา

สารคูตอไปน้ียึดเหน่ียวกันดวยแรงประเภทใด?


สถานะของเหลว (liquid state)- สภาวะโมเลกุลชิดกัน (condensed)- ศึกษาสมบัติของของเหลว คือ ความตงึผวิ และความหนืด

ความตึงผิว (surface tension)

: พลังงานท่ีใชทําใหของเหลวขยายพื้นท่ีผวิ (ใหโมเลกุลออกหางกัน)- เกิดจากโมเลกุลของเหลวมีแรง intermolecular forces กับโมเลกุลรอบ ๆ ทุกทิศทาง- สําหรับโมเลกุลท่ีผิวเหลือแตแรงดานขางกับขางใต- สงผลใหเหมือนช้ันโมเลกุล เปนแผนฟลมท่ีดึงกันไวท่ีผิว

26/07/55

12


ถา intermolecular force สูง สงผลให surface tension สูง- intermolecular attraction ระหวางโมเลกุลเหมือนกัน = Cohesion- intermolecular attraction ระหวางโมเลกุลตางกัน = Adhesion

ตัวอยางผลของ surface tension,cohesion / adhesionในหลอด capillary ดังรูป

(a) adhesion > cohesion(b) adhesion < cohesion

(a) (b)


ความหนืด (Viscosity): จะวัดความตานทานการไหล (flow) ของของไหล (fluid)

- ถาหนืดมาก ไหลชาลง- โมเลกุลมี intermolecular forces มาก ความหนืดสูง- ความหนืดจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น


เกิด H-bond มาก ดังนั้น viscosity สูงมาก

Glycerin


Summarizing Intermolecular Forces

Documents

Ionic bond, e.g. Na+Cl- ~400-4000 kJ/mol Intermolecular ...chem.flas.kps.ku.ac.th › SLIDE › SLIDE-01403312-53... · 4 Intermolecular Forces 2. แรงขั้วคู -ขั้วคู