WAS SIND DIPOL-DIPOL-KRÄFTE? - CHEMIE - 2024

Die Dipol-Dipol- Kräfte oder Keesom-Kräfte sind jene intermolekularen Wechselwirkungen, die in Molekülen mit permanenten Dipolmomenten vorhanden sind. Es ist eine der Van-der-Waals-Kräfte und obwohl es keineswegs die stärkste ist, ist es ein Schlüsselfaktor, der die physikalischen Eigenschaften vieler Verbindungen erklärt.

Der Begriff "Dipol" bezieht sich ausdrücklich auf zwei Pole: einen negativen und einen positiven. Wir sprechen also von Dipolmolekülen, wenn sie Bereiche mit hoher und niedriger Elektronendichte definiert haben, was nur möglich ist, wenn die Elektronen bevorzugt zu bestimmten Atomen "wandern": den elektronegativsten.

Das obere Bild zeigt die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen zwei AB-Molekülen mit permanenten Dipolmomenten. Ebenso kann beobachtet werden, wie die Moleküle so ausgerichtet sind, dass die Wechselwirkungen effizient sind. Somit zieht der positive Bereich δ + den negativen Bereich δ- an.

Demnach kann spezifiziert werden, dass diese Art der Wechselwirkung gerichtet ist (im Gegensatz zu ionischen Ladungs-Ladungs-Wechselwirkungen). Die Moleküle in ihrer Umgebung richten ihre Pole so aus, dass die Summe all dieser Wechselwirkungen der Verbindung, obwohl sie schwach sind, eine große intermolekulare Stabilität verleiht.

Dies führt dazu, dass Verbindungen (organisch oder anorganisch), die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen bilden können, hohe Siede- oder Schmelzpunkte aufweisen.

Dipolmoment

Das Dipolmoment µ eines Moleküls ist eine Vektorgröße. Mit anderen Worten: Es hängt von den Richtungen ab, in denen ein Polaritätsgradient vorliegt. Wie und warum entsteht dieser Gradient? Die Antwort liegt in den Bindungen und in der Eigenart der Atome der Elemente.

Zum Beispiel ist im oberen Bild A elektronegativer als B, so dass in der AB-Bindung die höchste Elektronendichte um A liegt.

Andererseits "gibt" B seine Elektronenwolke auf und ist daher von einem elektronenarmen Bereich umgeben. Dieser Unterschied in den Elektronegativitäten zwischen A und B erzeugt den Polaritätsgradienten.

Da eine Region reich an Elektronen (δ-) ist, während die andere arm an Elektronen (δ +) ist, erscheinen die beiden Pole, die in Abhängigkeit von den Abständen zwischen ihnen unterschiedliche Größen von µ erzeugen, die für jede Verbindung bestimmt werden .

Symmetrie

Wenn ein Molekül einer bestimmten Verbindung µ = 0 hat, spricht man von einem unpolaren Molekül (auch wenn es Polaritätsgradienten aufweist).

Um zu verstehen, wie Symmetrie - und damit Molekülgeometrie - bei diesem Parameter eine wichtige Rolle spielt, muss die AB-Bindung erneut betrachtet werden.

Aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativitäten gibt es definierte Regionen, die reich an Elektronen und arm an Elektronen sind.

Was wäre, wenn die Links AA oder BB wären? In diesen Molekülen würde es kein Dipolmoment geben, da beide Atome auf die gleiche Weise die Elektronen der Bindung anziehen (hundertprozentige kovalente Bindung).

Wie auf dem Bild zu sehen ist, zeigen weder das AA- noch das BB-Molekül jetzt Bereiche, die reich an Elektronen oder arm an Elektronen sind (rot und blau). Hier ist eine andere Art von Kräften dafür verantwortlich, A ₂ und B _{2 zusammenzuhalten} : induzierte Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, auch als Londoner Kräfte oder Dispersionskräfte bekannt.

Im Gegenteil, wenn die Moleküle vom Typ AOA oder BOB wären, würde es Abstoßungen zwischen ihren Polen geben, weil sie gleiche Ladungen haben:

Die δ + -Regionen von zwei BOB-Molekülen erlauben keine effiziente Dipol-Dipol-Wechselwirkung; Gleiches gilt für die δ-Regionen der beiden AOA-Moleküle. Ebenso haben beide Molekülpaare µ = 0. Der Polaritätsgradient OA wird mit dem der Bindung AO vektoriell aufgehoben.

Folglich kommen die Dispersionskräfte auch im AOA- und BOB-Paar ins Spiel, da keine effektive Orientierung der Dipole vorliegt.

Asymmetrie in nichtlinearen Molekülen

Der einfachste Fall ist der des CF ₄ -Moleküls (oder des CX ₄ -Typs ). Hier hat C eine tetraedrische Molekülgeometrie und elektronenreiche Regionen befinden sich an den Eckpunkten, insbesondere an den elektronegativen Atomen von F.

Der Polaritätsgradient CF hebt sich in eine der Richtungen des Tetraeders auf, wodurch die Vektorsumme all dieser Werte gleich 0 wird.

Obwohl das Zentrum des Tetraeders sehr positiv (δ +) und seine Eckpunkte sehr negativ (δ-) sind, kann dieses Molekül keine Dipol-Dipol-Wechselwirkungen mit anderen Molekülen bilden.

Orientierungen der Dipole

Bei linearen AB-Molekülen sind sie so ausgerichtet, dass sie die effizientesten Dipol-Dipol-Wechselwirkungen bilden (siehe Abbildung oben). Das Obige gilt in gleicher Weise für andere Molekülgeometrien; zum Beispiel eckige im Fall von NO ₂ -Molekülen .

Somit bestimmen diese Wechselwirkungen, ob die Verbindung AB bei Raumtemperatur ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff ist.

Bei den Verbindungen A ₂ und B ₂ (denen der violetten Ellipsen) ist es sehr wahrscheinlich, dass sie gasförmig sind. Wenn seine Atome jedoch sehr sperrig und leicht polarisierbar sind (was die Londoner Kräfte erhöht), können beide Verbindungen entweder fest oder flüssig sein.

Je stärker die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sind, desto größer ist die Kohäsion zwischen den Molekülen. Ebenso ist der Schmelz- und Siedepunkt der Verbindung umso höher. Dies liegt daran, dass höhere Temperaturen erforderlich sind, um diese Wechselwirkungen zu "brechen".

Andererseits führt ein Temperaturanstieg dazu, dass die Moleküle häufiger vibrieren, sich drehen und bewegen. Diese "molekulare Bewegung" beeinträchtigt die Orientierung der Dipole und daher werden die intermolekularen Kräfte der Verbindung geschwächt.

Wechselwirkungen mit Wasserstoffbrücken

Im oberen Bild sind fünf Wassermoleküle dargestellt, die durch Wasserstoffbrückenbindungen interagieren. Dies ist eine spezielle Art von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Die elektronenarme Region wird von H besetzt; und der elektronenreiche Bereich (δ-) wird von den hochelektronegativen Atomen N, O und F besetzt.

Das heißt, Moleküle mit N-, O- und F-Atomen, die an H gebunden sind, können Wasserstoffbrückenbindungen bilden.

Somit sind die Wasserstoffbrücken OHO, NHN und FHF, OHN, NHO usw. Diese Moleküle haben permanente und sehr intensive Dipolmomente, die sie richtig ausrichten, um diese Brücken "auszunutzen".

Sie sind energetisch schwächer als jede kovalente oder ionische Bindung. Die Summe aller Wasserstoffbrückenbindungen in der Phase einer Verbindung (fest, flüssig oder gasförmig) führt jedoch dazu, dass sie Eigenschaften aufweist, die sie als einzigartig definieren.

Dies ist beispielsweise der Fall bei Wasser, dessen Wasserstoffbrückenbindungen für seinen hohen Siedepunkt verantwortlich sind und im Eiszustand weniger dicht sind als flüssiges Wasser; Grund, warum Eisberge in den Meeren schwimmen.

Verweise

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