Pomiędzy cząsteczkami działają siły przyciągania i odpychania. Nazwano je oddziaływaniami międzycząsteczkowymioddziaływanie międzycząsteczkoweoddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Wpływają one znacząco na właściwości substancji, w których występują (np. na temperaturę wrzenia i topnienia, stan skupienia, gęstość). Jednym z przykładów takiego oddziaływania jest oddziaływanie dipol–dipoloddziaływanie dipol–dipoloddziaływanie dipol–dipol, które występuje w cząsteczkach polarnych. Posiadają one ładunek cząstkowy (dodatni oraz ujemny), skoncentrowany w konkretnym obszarze związku chemicznego. Ponadto takie cząsteczki polarne charakteryzują się również stałym, elektrycznym momentem dipolowym. Ich bieguny (ładunki cząstkowe) decydują o orientacji w przestrzeni względem innych cząsteczek. Oddziaływanie dipol–dipol polega więc na elektrostatycznym przyciąganiu się przeciwnie naładowanych biegunów cząsteczek.

Dipol elektrycznydipol elektrycznyDipol elektryczny jest układem dwóch ładunków o równych wartościach i przeciwnych znakach, znajdujących się od siebie w pewnej odległości.

RXRUGgrjhwhSx

Ilustracja przedstawiające powierzchnie ekwipotencjalne reprezentowane przez linie w dipolu elektrycznym. Na osie $X$ i $Y$ naniesione są linie tworzące zmniejszające się w kierunku początku układu współrzędnych ósemki wzdłuż osi $X$ oraz osi $Y$.

Do dipoli zalicza się wiele cząsteczekcząsteczka polarnacząsteczek z wiązaniem kowalencyjnym spolaryzowanym. Przykładami mogą być: $\text{HF}$, $\text{HCl}$, $\text{HBr}$, $\text{HI}$. Po stronie atomu wodoru znajduje się dodatni biegun dipola, a po stronie atomu fluorowca – ujemny. Takie substancje określa się jako polarne.

Jednak nie wszystkie cząsteczki, w których występuje wiązanie spolaryzowane, są dipolami. Moment dipolowy cząsteczki jest sumą wektorów momentów dipolowych poszczególnych wiązań w cząsteczce. Jeśli poszczególne momenty dipolowe wiązania znoszą się wzajemnie, to cząsteczka nie posiada wcale momentu dipolowego. Przykładem jest dwuatomowa, liniowa cząsteczka ${\text{CO}}_2$. Każde wiązanie $\text{C}—\text{O}$ jest polarne, jednak eksperymenty pokazują, że cząsteczka tlenku węgla($\text{IV}$) nie posiada momentu dipolowego. Dzieje się tak, ponieważ dwa dipole wiązania $\text{C}—\text{O}$, równe pod względem wielkości oraz zorientowane względem siebie pod kątem $180°$, znoszą się wzajemnie. Zerowy moment dipolowy występuje również w cząsteczce czteroatomowej – ${\text{BF}}_3$ czy tetraedrycznej ${\text{CCl}}_4$.

Cząsteczka o kształcie piramidy, np. amoniak, jest dipolem, ponieważ na atomie azotu, w miejscu występowania wolnej pary elektronowej, jest większa gęstość ładunku ujemnego niż po stronie atomów wodoru.

Silniejszy charakter dipolowy posiadają cząsteczki wody, ponieważ wiązanie $\text{O}—\text{H}$ jest bardziej spolaryzowane niż wiązanie $\text{N}—\text{H}$. Dodatkowo atom tlenu posiada dwie wolne pary elektronowe.

Ładunki elektryczne o przeciwnych znakach przyciągają się, a o takich samych odpychają, dlatego także dipole mogą się przyciągać lub odpychać, w zależności od wzajemnej orientacji. Bardziej korzystne energetycznie jest przyciąganie, dlatego cząsteczki będące dipolami ustawiają się właśnie w taki sposób. Jest to oddziaływanie dipol–dipol.

R1UJk6pl9bk6A

Ilustracja przedstawiająca korzystne energetycznie ułożenie dwóch par dipoli symbolizowanych przez eliptyczne struktury z biegunami ujemnymi delta minus i dodatnimi delta plus. To znaczy w taki sposób, że czołowo skierowane do siebie są bieguny dodatnie i ujemne, zaś bocznie biegun ujemny znajduje się obok dodatniego.

Ciecze, w których występuje silne oddziaływanie międzycząsteczkowe, posiadają duże entalpie parowania oraz wysokie temperatury wrzenia. Dzięki znajomości tej temperatury można uzyskać informacje o względnej sile oddziaływań międzycząsteczkowych.

Substancje polarne są dobrymi rozpuszczalnikami dla innych substancji polarnych (zgodnie z zasadą „podobne rozpuszcza się w podobnym”). Na przykład woda stanowi dobry rozpuszczalnik dla amoniaku.

Oddziaływania dipol–dipol występują pomiędzy grupami polarnymi w białkach, stabilizując ich trzeciorzędową strukturę. Grupy polarne, zawarte w białku, mogą tworzyć oddziaływania dipol–dipol.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5 th Edition, New York 2009.

Penkala T., Podstawy chemii ogólnej, Warszawa 1982.