אינטראקציות ואן דר ואלס

מה זה קוטביות קבועה וקוטביות רגעית?

קוטביות קבועה של מולקולה היא קוטביות הנובעת מסכום קוטביות הקשרים שונה מאפס. ניתן לסמו אותה כשני קטבים בעלי מטענים חלקיים הפוכים באזורים שונים של המולקולה. קוטביות קבועה לא משתנה עם הזמן. נקרא למולקולות בעלות קוטביות קבועה מולקולות קוטביות או דו-קטבים.

קוטביות רגעית

קוטביות רגעית היא קוטביות הנובעת מהצטופפות אקראית של אלקטרונים באזור מסוים של מולקולה לרגע קצר ביותר. 
כתוצאה מכך נוצר מטען שלילי לרגע קצר מאוד באזור ההצטופפות האלקטרונים ומטען חיובי באזור אחר שבו יש חוסר באלקטרונים.

בסרטון תוכלו לצפות באנימציה על המושגים הנ”ל כולל הסבר.

 

מהן אינטראקציות ואן דר ואלס?

אינטראקציות ואן דר ואלס הם כוחות משיכה בין מולקולריים הנובעים ממשיכה חשמלית בין דו קטבים. 
נבדיל בין משיכה בין דו קטבים קבועים ומשיכה בין דו קטבים רגעיים.

משיכה דו-קוטב – דו קוטב היא משיכה בין הקטבים ההפוכים של מולקולות קוטביות.

משיכה דו-קוטב מושרה – דו קוטב מושרה היא משיכה בין דו קוטב רגעי במולקולה אחת המשרה דו קוטב רגעי במולקולה שכנה.

בסרטון נסביר את אינטראקציות ואן דר ואלס בעזרת אנימציה

נניח קוטב רגעי שלילי במולקולה אחת. קוטב זה יכול לדחות את האלקטרונים של מולקולה שכנה שהתקרבה בדיוק באותו רגע ובכך משרה קוטב חיובי באזור שהאלקטרונים פינו. שני הקטבים ההפוכים מושכים זה את זה וכך נוצר כוח המשיכה מסוג דו-קוטב מושרה – דו קוטב מושרה.

דו קטבים מסוג זה נוצרים ונעלמים במהירות עצומה ולכן כל הזמן יש משיכה מסוג זה בין מולקולות

משיכה בין מולקולות קוטביות (דו קוטב-דו קוטב)

משיכה בין דו קטבים רגעים
(דו קוטב מושרה – דו קוטב מושרה)

מהם הגורמים המשפיעים על חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס?

ניתן למנות שלושה גורמים: 

  • גודל ענן האלקטרונים
  • קוטביות קבועה
  • שטח פנים למגע בין המולקולות

גודל ענן האלקטרונים: ככל שגודל ענן האלקטרונים במולקולה גדול יותר, גדל הסיכוי להיווצרות דו-קטבים רגעיים ליחידת זמן ולכן יותר דוק קטבים רגעים ישפיעו על המולקולות השכנות וכוח המשיכה יגדל.

קוטביות קבועה של המולקולה: ככל שלמולקולה קוטביות קבועה גדולה יותר, כוח המשיכה יגדל מכיוון שלרוב, המטענים החלקיים של הדו-קוטב יגדל ועל פי חוק קולון כוח המשיכה בין הדו קטבים יגדל.

שטח פנים למגע בין המולקולות: ככל ששטח פנים למגע בין המולקולות יגדל, מספר הדו קטבים הרגעיים היעלים במשיכה בין המולקולות (דו קטבים קרובים אחד לשני) יגדל ולכן כוח המשיכה יגדל.

בסרטון פתרון מודרך, נראה תשובה לשתי שאלות מסוג זה (הגישה למנויי “כסף” ומעלה”):

  1. השוואה בין נקודות הרתיחה של פחמן שלוש מימני חד כלורי: CH3Cl  ופחמן שלוש מימני חד ברומי: CH3Br 
  2. השוואה בין נקודות הרתיחה של בוטאן:CH3CH2CH2CH  ואצטון: CH3COCH3
סרטון על הגורמים המשפיעים על חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס
פתרון מודרך על שאלת השוואה בין נקודות רתיחה של חומרים עם אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד
פתרון מודרך על השוואת נקודות רתיחה של חומרים עם אנטראקציות ואן דר ואלס בלבד

באופן כללי , גורם שטח הפנים למגע הוא חלש ביחס לשני הגורמים האחרים ולכן מתייחסים אליו כאשר שאר הגורמים זהים (איזומרים) או דומים מאוד (חומצות שומן בעלות גודל דומה).
אם נרצה להשוות בין קוטביות קבועה לגודל ענן האלקטרונים הכלל הוא שכאשר גודל הענן גדול מ-50 אלקטרונים, כוחות המשיכה מדו קטבים רגעיים חזקים מכוחות המשיכה מדו קטבים קבועים. כמובן שיש יוצאי מן הכלל ולכן בדרך כלל נתייחס בשאלות לערכים ניסיוניים של נקודת רתיחה או מסיסות הנתונים בשאלה ולא נתבקש לנבא את סדר הערכים עצמם. 
בסרטון נסביר את שלושת הגורמים ונציג דוגמאות עם השוואת נקודת הרתיחה של חומרים שונים המבוססת על גרומים אלה.

תרגול

1. להלן נתונות הנוסחאות של מספר תרכובות. לאילו מן התרכובות יש קוטביות קבועה זניחה ולאילו יש קוטביות קבועה לא זניחה? נמקו את תשובתכם

            i.              ii.                iii.            iv.           v.        
        C2H6     CH3CH2OH    CH3CHNH2CH3    CH3COOH    CH3CHCH2
         אתאן        אתנול       איזופרופיל אמין     חומצה אתאנוית           פרופ̤ן

א. קוטביות קבועה זניחה:  i, iii, v  קוטביות קבועה לא זניחה: ii, iv
ב. קוטביות קבועה זניחה:  i, iii     קוטביות קבועה לא זניחה: ii, iv, v
ג. קוטביות קבועה זניחה:  iii       קוטביות קבועה לא זניחה: ii, iv, v , i
ד. קוטביות קבועה זניחה:  i, v      קוטביות קבועה לא זניחה: iii, iv , ii

2. סדרו את התרכובות של השאלה מספר 1 על פי קוטביות רגעית גדלה. נמקו את תשובתכם

א.i< ii = v < iii < iv
ב.i< v < ii  < iv < iii
ג.i< ii < v < iv < iii
ד.v < i < iv = iii < ii

3. השוו בין מבנה המולקולות של החומרים הבאים וקבעו אם סדר נקודות הרתיחה הצפויות בין זוגות החומרים נכון או לא נכון על פי שיקולים של קוטביות של מולקולות בלבד (קוטביות רגעית וקוטביות קבועה). תבנו טבלת השוואת גורמים לכל זוג חומרים ונמקו את תשובתכם.
להלן צורות המולקולות של החומרים והשוואה אפשרית של נקודות הרתיחה של ארבעה זוגות חומרים (עליכם לקבוע אם הסדר המוצע נכון או לא) .

i

ii.

iii.

iv.

v.

PBr3

BF3

CS2

CH3COOCH3

SeH2

פירמידה משולשת

משולש מישורי

קווית

משולש מישורי
(סביב הפחמן הקשור לאטומי החמצן)

זוויתית

אפשרויות של סדר נקודות רתיחה:

א.

CS2

PBr3

ב.

BF3

SeH2

ג.

CS2

BF3

ד.

CS2

CH3COOCH3

 

דוגמה לטבלת השוואה בין גורמים המשפיעים על אינטראקציות
ואן דר ואלס (קוטביות בלבד)

טבלה תרגיל אינטרקציות ואן דר ואלס - קוטביות בלבד

4. נתונות התרכובות הבאות והיגדים על ההשוואה בין נקודות הרתיחה שלהן.

מה ההיגד או היגדים הנכונים?
נמקו את תשובתכם בעזרת טבלה המכילה את כל הגורמים המשפיעים על אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד.

            i        ii.iii.iv
בוטאן
בוטאן
איזובוטאן
איזובוטאן
אתן דיול (ציס)
אתן דיול (ציס)
אתן דיול (טרנס)
אתן דיול (טרנס)

א. נק’ רתיחה של בוטאן גבוה משל איזובוטאן כי שטח פנים למגע גבוה יותר
ב.נק’ הרתיחה של בוטאן  גבוהה מזו של איזובוטאן בגלל ענן אלקטרונים גדול יותר
ג. נק’ הרתיחה של אֶתֶן דיול (טרנס) גבוהה מזו של אֶתֶן דיול (ציס)  בגלל שטח פינם למגע גדול יותר
ד. נק’ הרתיחה של אֶתֶן דיול (טרנס) גבוהה מזו של אֶתֶן דיול (ציס)  בגלל שהמולקולה קוטבית יותר

i.   א ו- ד
ii.  ב ו- ג
iii. ג ו- ד
vi. א ו-ג

5. עבור כל זוג תרכובות, תבנו טבלת ניתוח הגורמים המשפיעים על חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס ותסבירו ברמה המיקרוסקופית את סדר נקודות הרתיחה של כל אחד מזוגות התרכובות הבאים. תיעזרו בדוגמה של טבלת שלושת הגורמים המשפיעים על חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס (בצד שמאל).

 

חומר 1

נק’ רתיחה (oC)

חומר 2

נק’ רתיחה (oC)

א.

CCl4

77

CHCl3

61

ב.

CF4

128-

CHF3

82-

ג.

CHCl3

61

CHBr3

149

ד.

PCl3

76

NCl3

71

ה.

ICl

98

Br2

59

ו.

C6H12
(ציקלוהקסאן*)

81

C6H14
הקסאן

69

* רמז: מולקולת ציקלוהקסאן בעלת צורה של טבעת סגורה וסביב כל פחמן צורה טטרהדר. מולקולת הקסאן בעלת שרשת פתוחה. בציור מצד שמאל מתוארות נוסחאות המבנה בייצוג מקוצר שלהן.

טבלת ניתוח אינטראקציות ואן דר ואלס על פי שלושת הגורמים המשפיעים על חוזק

 

דוגמה לטבלת ניתוח גורמים המשפיעים על אינטרקציות ואן דר ואלס

נוסחת
מבנה
נוסחה
מולקולרית
גודל ענן
האלקטרונים
קוטביות קבועהשטח פנים
למגע
נקודת
הרתיחה (C ° )
CCl477
CHCl361
ציקלוהקסאן - נוסחת מבנה בייצוג מקוצר
ציקלוהקסאן - נוסחת מבנה בייצוג מקוצר
הקסאן - נוסחת מבנה בייצוג מקוצר
הקסאן - נוסחת מבנה בייצוג מקוצר

6. להלן מתוארות מספר תופעות. אילו מהן אפשר להסביר רק בעזרת אינטראקציות ואן דר ואלס הנובעות מדו קטבים רגעיים בלבד?

א. כאשר מכניסים קלקר (פוליסטירן) לאצטון הוא הופך לגוש מוצק קטן ומאבד את המבנה האוורירי בעל נפח גדול.
ב. 
לגזים אצילים יש נקודת רתיחה והתכה.
ג. אצטון מתמוסס במים.
ד. הגז בגזוז הוא פחמן דו חמצני מומס במים אשר יוצר בועות ומשתחרר כשפותחים את הבקבוק 

i. א ו-ד
ii. 
ב ו-ד
iii. 
ב בלבד
iv. 
א ו-ב 

אצטון ופוליסטירן - נוסחת מבנה בייצוג מקוצר

        אצטון                          פוליסטירן*    

אצטון

פוליסטירן-קלקר

 

 

* – פוליסטירן הוא פולימר. חומר בעל מולקולות גדולות המורכבות מקבוצה של אטומים החוזרת על עצמה מספר רב של פעמים (מעשרות ועד אלפי פעמים)

7. שאלת העשרה: תסבירו במילים שלכם למה נק’ ההמראה (מעבר ישר ממוצק לגז בלחץ אטמוספרי) של פחמן חמצני (CO2) שהיא: 78oC- , נמוכה מזו של גופרית דו חמצני SOשהיא     10oC- ברמה המיקרוסקופית.

נתון שצורת מולקולת פחמן דו חמצני קווית בעוד שמולקולת גופרית דו חמצנית זוויתית.
ערכי אלקטרושליליות: C – 2.5           O – 3.5           S – 2.5

8. תסבירו ברמה המיקרוסקופית למה קלקר הופך לגוש מוצק קטן מאוד כאשר טובלים אותו באצטון?
נתונים:  נוסחת הפוליסטירן המרכיב את הקלקר ונוסחת אצטון ניתנו לעיל בתרגיל מס’ 6 סעיף א’.