E5 Varausten aikaansaamat vuorovaikutukset
Aluksi
Kemialliset sidokset
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.
Dipolien väliset heikot voimat
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.
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.
Melko vahva vetysidos
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.
Esimerkiksi
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/cce798584Lopuksi
E5.2 Voiko oheisissa yhdisteissä olla vetysidoksia? Piirrä kuva mahdollisista vetysidoksista.
https://peda.net/id/cce8d9f24E5.3 Mitä molekyylien välisiä vuorovaikutuksia on typessä, propyyliamiinissa ja trimetyyliamiinissa? Järjestä aineet kiehumispisteen mukaiseen järjestykseen.
https://peda.net/id/cce9603e4E5.4 Yhdistä seuraavat viisi hiiliatomia sisältävät rakenteet oikeisiin kiehumispisteisiin: 10 °C, 28 °C, 36 °C.
https://peda.net/id/cce6f4024Niksi
Lisäksi
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.