E5 Varausten aikaansaamat vuorovaikutukset

Aluksi

Selitä molekyylitason kaaviolla, miksi öljy käyttäytyy eri tavalla kuin vesi.

Kemialliset sidokset

- metallisidos käsitellään myöhemmin kurssilla KE2

Molekyylien väliset vuorovaikutukset

Jos atomit eivät sitoutuisi toisiinsa kovalenttisin sidoksin, molekyylit eivät pysyisi koossa. Jos taas molekyylit eivät sitoutuisi mitenkään toisiinsa, ne muodostaisivat vain harvaa ainetta, kaasua. Jotta esimerkiksi vesi voi esiintyä nesteenä tai jäänä, vesimolekyylien pitää pakkautua lähelle toisiaan, paljon tiheämpään kuin vesihöyryssä. Nesteen ja kiinteän aineen pitävät koossa molekyylien väliset vuorovaikutukset.

Molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat paljon heikompia kuin molekyylien sisäiset kovalenttiset sidokset. Esimerkiksi metanolimolekyyleillä on lämpötilassa 65 °C niin paljon liike-energiaa, että molekyylien väliset vuorovaikutukset eivät enää riitä sitomaan molekyylejä nesteeksi. Tässä lämpötilassa metanoli kiehuu. Molekyyleillä ei ole kuitenkaan vielä niin paljon energiaa, että vahvat kovalenttiset sidokset alkaisivat hajota. Itse molekyylit siis pysyvät koossa, vaikka tiheä neste höyrystyykin harvaksi kaasuksi.

https://peda.net/id/cce5b7684

Mitä enemmän aineella on energiaa, sitä vähemmän molekyylien väliset vuorovaikutukset pystyvät pitämään sitä koossa. Siten lämpötilan kasvaessa kiinteä aine sulaa ja lopulta neste kiehuu. Nesteessä ja kiinteässä aineessa molekyylit ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa toisten molekyylien kanssa, kun taas kaasumaiset molekyylit kulkevat kokoonsa nähden pitkiä matkoja vuorovaikuttamatta merkittävästi muiden kaasumolekyylien kanssa.

Dipolien väliset heikot voimat

Molekyylien väliset vuorovaikutukset perustuvat sähkövarauksiin aivan kuten molekyylien sisäisetkin vuorovaikutukset. Siinä missä molekyylien sisäisissä vuorovaikutuksissa tarkastellaan atomiydinten ja elektronien välisiä voimia, molekyylien välisissä vuorovaikutuksissa tarkastelun kohteena ovat dipolien väliset voimat. Dipolin positiivinen napa vetää puoleensa toisen dipolin negatiivista napaa samaan tapaan kuin atomiydin vetää puoleensa elektroneja.

Pooliset molekyylit ovat dipoleja, joten niiden välillä voi olla dipoli-dipolivuorovaikutusta. Kun esimerkiksi metanolissa yhden molekyylin negatiivinen happipää kääntyy hetkeksi toisen molekyylin positiivista hiilipäätä kohti, dipolien välille syntyy vetovoima. Vetovoima on kuitenkin lyhytaikainen, sillä nesteessä molekyylit voivat liikkua melko vapaasti toistensa suhteen. Dipolit voivat olla suuren osan ajasta toisiinsa nähden epäsuotuisissa asemissa, joten keskimäärin dipoli-dipolivuorovaikutus on heikko, noin sata kertaa tavanomaista kovalenttista sidosta heikompi.

https://peda.net/id/cce8432a4
Pysyvien dipolien välillä on vetovoima, dipoli-dipolivuorovaikutus, kun dipolit ovat asettuneet toisiinsa nähden suotuisasti.

Vuorovaikuttavien dipolien ei tarvitse olla pysyviä, eli molekyylit voivat olla myös poolittomia. Jos esimerkiksi metanolimolekyyli kohtaa kaasutilassa etaanimolekyylin, poolisen metanolimolekyylin varausjakauma voi synnyttää poolittomaan etaanimolekyyliin hetkellisen dipolin. Metanolin pysyvä dipoli ja etaanin tilapäinen dipoli voivat sitten vetää toisiaan hetken ajan puoleensa, kunnes etaaniin syntynyt varausjakauma purkautuu.

Dipoleja syntyy molekyyleihin myös itsestään, kun molekyylin elektronijakauma heilahtaa hetkellisesti. Muodostuva hetkellinen dipoli voi aikaansaada toiseen molekyyliin hetkellisen dipolin, ja dipolit vetävät toisiaan puoleensa. Tätä hetkellisten dipolien välistä vuorovaikutusta sanotaan dispersiovuorovaikutukseksi. Se selittää muun muassa, miksi poolittomat etaanimolekyylit voivat vetää toisiaan puoleensa. Jos dispersiovuorovaikutusta ei olisi, etaanikaasua ei voisi tiivistää nesteeksi tai jähmettää kiinteäksi aineeksi, vaikka etaania jäähdyttäisi kuinka kylmäksi. Dispersiovuorovaikutusta esiintyy myös poolisten molekyylien välillä, ja se on niillä usein dipoli-dipolivuorovaikutusta merkittävämpää.

https://peda.net/id/cce668ac4

Vasemmanpuoleiseen molekyyliin muodostuu hetkellinen dipoli. Tämä dipoli tuottaa hetkellisen dipolin viereiseen molekyyliin, ja syntyneet dipolit vetävät toisiaan puoleensa.

Melko vahva vetysidos

Vetyatomi sitoutuu orgaanisissa yhdisteissä tavallisesti yhdellä kovalenttisella sidoksella, mutta joissakin tapauksissa se voi osallistua myös erityislaatuiseen vuorovaikutukseen, vetysidokseen. Vetysidos voi syntyä, jos vetyatomi on yhdistynyt kovalenttisella sidoksella sitä elektronegatiivisempaan alkuaineeseen, esimerkiksi happeen tai typpeen. Koska vetyatomilla on tällöin positiivinen osittaisvaraus, se voi vuorovaikuttaa negatiivisesti varautuneen atomin tai atomiryhmän kanssa. Esimerkiksi metanolimolekyylin OH-ryhmän vetyatomi voi muodostaa vetysidoksen toisen metanolimolekyylin happiatomin kanssa. Isoissa molekyyleissä vetysidoksia voi muodostua myös molekyylin sisällä.

Vetysidoksella on sekä dipolien välisten vuorovaikutusten että kovalenttisten sidosten ominaisuuksia. Vetysidos muistuttaa dipolien välisiä vuorovaikutuksia siinä, että se perustuu dipoliin. Toisaalta oikeanlainen suuntautuminen on vetysidoksessa tärkeää samalla tavalla kuin kovalenttisissa sidoksissa: vetysidoksen ja vetyatomista lähtevän kovalenttisen sidoksen välinen kulma on yleensä noin 180 astetta. Vahvuudeltaan vetysidos on dipoli-dipolivuorovaikutuksen ja kovalenttisen sidoksen välissä.

Vetysidoksen vahvuus selittää monien yhdisteiden korkeita sulamis- ja kiehumispisteitä. Esimerkiksi metanoli- ja etaanimolekyylit ovat massaltaan lähes yhtä suuria, mutta metanoli kiehuu 65 °C:ssa ja etaani kiehuu −89 °C:ssa. Korkea kiehumispiste tarkoittaa, että nestemolekyylien erottamiseen tarvitaan paljon energiaa. Metanolin tapauksessa energiaa kuluu vetysidosten katkeamiseen, kun taas etaanimolekyylejä sitoo toisiinsa vain heikko dispersiovuorovaikutus.

https://peda.net/id/cce9f08a4

Metanolimolekyylien välisiä vetysidoksia. Vetysidos merkitään tavallisesti muutamalla pisteellä. Vetysidokseen osallistuvasta vetyatomista lähtee siis yhteen suuntaan pisteviivaa vetysidoksen merkiksi ja toiseen suuntaan yhtenäistä viivaa kovalenttisen sidoksen merkiksi.

Esimerkiksi

Esitä piirroksin, millaisia molekyylien välisiä vuorovaikutuksia esiintyy butaanissa, asetonissa ja etikkahapossa. Järjestä aineet kiehumispisteen mukaiseen järjestykseen. Molekyylien massat ovat lähellä toisiaan.

Ratkaisu

Butaani on pooliton yhdiste, joten butaanimolekyylien välillä voi olla vain dispersiovuorovaikutusta, joita on aina kaikkien molekyylien välillä.

Asetoni on hapen ja hiilen välisen sidoksen vuoksi poolinen, joten asetonimolekyylien välillä voi olla dispersiovuorovaikutuksen lisäksi dipoli-dipolivuorovaikutusta.

Etikkahappo on poolinen yhdiste, joten siinä voi olla dispersiovuorovaikutuksen ohella dipoli-dipolivuorovaikutusta. Etikkahappomolekyylissä on happiatomiin kiinnittynyt vetyatomi, joten tämä vety voi muodostaa vetysidoksia toisten etikkahappomolekyylien happiatomien kanssa.

Koska butaanissa on vain dispersiovuorovaikutusta, sen kiehumispiste on matalin. Seuraavana tulee asetoni, jossa molekyylien välillä voi olla myös dipoli-dipolivuorovaikutusta. Etikkahapon kiehumispiste on korkein, koska etikkahapossa molekyylien välillä on vetysidoksia. (Kiehumispisteet ovat noin −0,5 °C, 56 °C ja 118 °C.)

https://peda.net/id/cce798584

Butaanimolekyylien välinen dispersiovuorovaikutus perustuu molekyyleihin muodostuviin hetkellisiin dipoleihin. Asetonimolekyyleillä vuorovaikutus voi tapahtua pysyvien dipolien välillä. Etikkahappomolekyylit voivat muodostaa keskenään vetysidoksia.

Lopuksi

E5.1 Mitä molekyylien välisiä vuorovaikutuksia esiintyy seuraavissa yhdisteissä: CH₄, CH₂O, CH₃CH₂OH?

E5.2 Voiko oheisissa yhdisteissä olla vetysidoksia? Piirrä kuva mahdollisista vetysidoksista.

https://peda.net/id/cce8d9f24

Muurahaishappo, dimetyylieetteri, metyyliamiini ja asetaldehydi.

E5.3 Mitä molekyylien välisiä vuorovaikutuksia on typessä, propyyliamiinissa ja trimetyyliamiinissa? Järjestä aineet kiehumispisteen mukaiseen järjestykseen.

https://peda.net/id/cce9603e4

Typpi, propyyliamiini ja trimetyyliamiini.

E5.4 Yhdistä seuraavat viisi hiiliatomia sisältävät rakenteet oikeisiin kiehumispisteisiin: 10 °C, 28 °C, 36 °C.

https://peda.net/id/cce6f4024

Tavallinen pentaani, isopentaani ja neopentaani.

E5.5 Selvitä, mikä merkitys vetysidoksilla on DNA:ssa. Etsi kuvia, joista näkyy, minkä atomien välille vetysidoksia DNA:ssa muodostuu.

Malliratkaisut ja kommentit

Niksi

Kahden dipolin välinen vuorovaikutus voidaan kirjoittaa suomen kielessä kahdella tavalla: dipoli-dipolivuorovaikutus tai dipoli–dipoli-vuorovaikutus. Kahden viivan muodossa ensimmäinen viiva on ajatusviiva eli tavallista yhdysmerkkiä pidempi viiva.

Lisäksi

Molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat kovalenttisiin sidoksiin verrattuna varsin lyhytaikaisia, ja häilyviä ovat myös näihin vuorovaikutuksiin liittyvät termit. Koko käsite molekyylien väliset vuorovaikutukset on ongelmallinen, koska näitä vuorovaikutuksia esiintyy myös molekyylien sisällä. Esimerkiksi proteiinien ja DNA:n muoto perustuu näiden jättimolekyylien sisällä syntyviin vetysidoksiin ja dipoli-dipolivuorovaikutukseen. Joskus tehdäänkin jaottelu vahvoihin kovalenttisiin sidoksiin ja heikkoihin vuorovaikutuksiin. Tällöin tosin täytyy hyväksyä, että vahvimmat heikot vuorovaikutukset voivat olla heikoimpien vahvojen sidosten veroisia ja että osa lauseista pitää lukea kahteen kertaan.

Vuorovaikutuksen sijaan voidaan puhua sidoksista tai voimista. Sana dipoli-dipolisidos on yleisesti käytössä, mutta tässä tapauksessa sidos ei ole yhtä selvärajainen kuin kovalenttinen sidos tai vetysidos, vaan se on pohjimmiltaan dipolien välisten vuorovaikutusten keskiarvo. Sanaa voima käytetään etenkin dispersiovoimista puhuttaessa. Dispersiovoiman toinen nimi on Londonin voima, ja siitä käytetään usein myös nimitystä van der Waalsin voima. Johdonmukaisin tapa on lukea van der Waalsin voimiksi myös muut dipolien väliset vuorovaikutukset eli dipoli-dipolivuorovaikutus sekä dipolin ja hetkellisen dipolin välinen vuorovaikutus.

Vetysidos on säästynyt synonyymeiltä, mutta sen määritelmästä ei ole täyttä yksimielisyyttä. Vetysidoksen esitetään usein muodostuvan vain, jos vetyatomi on liittynyt typpi-, happi- tai fluoriatomiin. Todellisuudessa vetysidoksia havaitaan myös muissa tapauksissa, kunhan vetyatomi sitoutuu itseään elektronegatiivisempaan alkuaineeseen.

:rightTermien sekamelska – tai rikkaus – haittaa kemian harjoittamista yllättävän vähän. Yhteisten termien hyödyt ovat kuitenkin selvät, joten kemiassa pyritään yhtenäistämään puhetapoja antamalla kemian järjestö IUPACin laatia suosituksia eri sanojen käytöstä. Tällainen työ on aikaavievää ja vaatii lukuisten asiantuntijoiden panosta. Esimerkiksi IUPACin uusi vetysidoksen määritelmä mahtuu kolmelle riville, mutta sen valmisteluun osallistui 14 hengen työryhmä, joka kuuli kymmeniä asiantuntijoita ja kirjoitti määritelmän tueksi toistakymmentä sivua perusteluja! (Lisää vetysidoksen määrittelemisestä IUPACin julkaisussa: Pure Appl. Chem. 2011, 83, 1619–1636.)