የሞለኪውሎች መካከል ኃይሎች፦ የመፍላት ነጥብ፣ የእንፋሎት ግፊትና መሟሟት

በሞለኪውሎች መካከል ያሉ መሳሳቦች እንጂ በውስጣቸው ያሉ ቦንዶች አይደሉም

ኮቫለንት ቦንዶች የሞለኪውልን አቶሞች አንድ ላይ ያያይዛሉ። የሞለኪውሎች መካከል ኃይሎች (IMFs) በተለያዩ ሞለኪውሎች መካከል ያሉ እጅግ ደካማ መሳሳቦች ናቸው፤ ፈሳሽ ሲፈላ ወይም ጠጣር ሲቀልጥ መሸነፍ ያለባቸውም እነሱ ናቸው። ውሃ ሲፈላ የሚፈጠረው ጋዝ አሁንም ከH₂O ሞለኪውሎች የተሠራ ነው፤ ምንም የO–H ቦንዶች አይሰበሩም። የሚረበሹት በአጎራባች ሞለኪውሎች መካከል ያሉ መሳሳቦች ብቻ ናቸው።

እነዚህ ኃይሎች ሞለኪውሎች እርስ በርስ ምን ያህል በጥብቅ እንደሚጣበቁ ስለሚቆጣጠሩ የአካላዊ ባህሪያት ስብስብን በአንድነት ይቆጣጠራሉ። ጠንካራ IMFs በአጠቃላይ ከፍተኛ የመፍላት ነጥብ፣ ከፍተኛ የመተን ኢንታልፒ፣ በተሰጠ ሙቀት ዝቅተኛ የእንፋሎት ግፊት፣ እንዲሁም ብዙውን ጊዜ ከፍተኛ ዝልግልግነትና የገጽ ውጥረት ማለት ናቸው። IMFsን ደረጃ ማውጣት ከቻሉ እነዚህን ሁሉ ብዙውን ጊዜ በአንድ ጊዜ ደረጃ ማውጣት ይችላሉ።

የለንደን ስርጭት ኃይሎች በእያንዳንዱ ንጥረ ነገር ውስጥ

የስርጭት ኃይሎች የሚነሱት የኤሌክትሮን ስርጭቶች ስለሚዋዥቁ ነው። በማንኛውም ቅጽበት በሞለኪውል ውስጥ ያሉ ኤሌክትሮኖች በትንሹ ያልተስተካከሉ ሊሆኑ ይችላሉ፤ ይህም በጎረቤት ውስጥ ተዛማጅ ዳይፖልን የሚያስከትል ጊዜያዊ ዳይፖል ይፈጥራል። ሁለቱ ለአጭር ጊዜ ይሳሳባሉ፤ ንድፉም በጠቅላላው ፈሳሽ ላይ ይደገማል። ዋልታ ይሁን አይሁን እያንዳንዱ አቶምና ሞለኪውል የስርጭት ኃይሎችን ያጋጥመዋል።

የስርጭት ኃይሎች ጥንካሬ በፖላራይዛቢሊቲ ላይ ይወሰናል፤ ማለትም የኤሌክትሮን ደመናው ምን ያህል በቀላሉ ሊዛባ እንደሚችል። ብዙ ኤሌክትሮኖች ያሏቸው ትላልቅ ሞለኪውሎች ይበልጥ ፖላራይዝ ይሆናሉ፤ ስለዚህ በተመሳሳይ ውህዶች ቤተሰብ ውስጥ የስርጭት ኃይሎች በአጠቃላይ ከሞላር ክብደት ጋር ይጨምራሉ። ቅርፅም አስፈላጊ ነው፦ ረጃጅም የተዘረጉ ሞለኪውሎች ከተመሳሳይ ቀመር ያላቸው የተጠጋጉ የተከፋፈሉ ሞለኪውሎች ይልቅ ከጎረቤቶቻቸው ጋር የሚገናኝ ተጨማሪ ገጽ አላቸው፤ ስለዚህ እርስ በርስ ይበልጥ በጠንካራ ይሳሳባሉ።

ስርጭትን አቅልለው አይመልከቱ። በትላልቅ ሞለኪውሎች ውስጥ ሞለኪውሉ ዋልታም ቢሆን ብዙውን ጊዜ ለጠቅላላ መሳሳብ ትልቁ አስተዋጽኦ ነው።

ዳይፖል–ዳይፖል መሳሳቦችና የሃይድሮጂን ቦንድ

ዋልታ ሞለኪውሎች ቋሚ ዳይፖሎች አሏቸው፤ ስለዚህ በፈሳሽ ውስጥ የአንዱ ሞለኪውል ከፊል አዎንታዊ ጫፍ ከሌላው ከፊል አሉታዊ ጫፍ አጠገብ እንዲሆን የመዞር ዝንባሌ አላቸው። ይህ ዳይፖል–ዳይፖል መሳሳብ ሁልጊዜ ባሉት የስርጭት ኃይሎች ላይ ይጨመራል። ሞለኪውል ዋልታ መሆኑን መወሰን የቦንድ ዋልታነቶቹንም ቅርፁንም ይፈልጋል።

የሃይድሮጂን ቦንድ በተለይ ጠንካራ ዳይፖል–ዳይፖል መሳሳብ ነው። ከናይትሮጂን፣ ከኦክስጅን ወይም ከፍሎሪን ጋር በኮቫለንት የተተሳሰረ ሃይድሮጂን አቶም (ለጋሹ) እና በአቅራቢያ ባለ N፣ O ወይም F አቶም ላይ ብቸኛ ጥንድ (ተቀባዩ) ይፈልጋል። እጅግ ዋልታ የሆነው N–H፣ O–H ወይም F–H ቦንድ ትንሹን የሃይድሮጂን አቶም ወደ ተቀባዩ ብቸኛ ጥንድ በቅርብ ሊቀርብ የሚችል ትልቅ ከፊል አዎንታዊ ክፍያ ይተዋል።

ሞለኪውል ለጋሽ ሳይሆን ተቀባይ ሊሆን ይችላል። አሴቶን (CH₃)₂CO በኦክስጅን ላይ ብቸኛ ጥንድ አለው፤ ሁሉም ሃይድሮጂኖቹ ግን ከካርቦን ጋር ተተሳስረዋል፤ ስለዚህ የአሴቶን ሞለኪውሎች እርስ በርስ የሃይድሮጂን ቦንድ መፍጠር አይችሉም። ሆኖም ከውሃ የሃይድሮጂን ቦንዶችን መቀበል ይችላሉ፤ አሴቶን ከውሃ ጋር በሁሉም መጠኖች የሚደባለቅበት አንዱ ምክንያት ይህ ነው።

አዮን–ዳይፖል ኃይሎችና አዮናዊ ጠጣሮችን ማሟሟት

አዮናዊ ጠጣር በውሃ ውስጥ ሲሟሟ እያንዳንዱ አዮን ወደ እሱ በተዞሩ የውሃ ሞለኪውሎች ይከበባል፦ ከፊል አሉታዊ የኦክስጅን ጫፎች ካቲዮኖችን ይመለከታሉ፤ ከፊል አዎንታዊ የሃይድሮጂን ጫፎች ደግሞ አኒዮኖችን። ይህ አዮን–ዳይፖል መሳሳብ አዮኖቹን ከክሪስታሉ ለመለየት የሚያስፈልገውን ኃይል አብዛኛውን ለማካካስ በቂ ኃይል ይለቃል። መሳሳቡ ከፍተኛ ክፍያና አነስተኛ መጠን ላላቸው አዮኖች ጠንካራ ነው።

አዮን–ዳይፖል ኃይሎች ፖታሲየም ብሮማይድ በውሃ ውስጥ በቀላሉ የሚሟሟው ሆኖም አዮኖችን የሚስብ ዳይፖል በሌለው ሄክሳን ውስጥ ብዙም የማይሟሟው ለምን እንደሆነ ያብራራሉ። "ተመሳሳይ ተመሳሳይን ያሟሟል" የሚለው አጠቃላይ ደንብ ይህንን ያጠቃልላል፦ ንጥረ ነገሮች የራሳቸውን የሚመስሉ የሞለኪውሎች መካከል ኃይሎች ባላቸው ማሟሟቶች ውስጥ በተሻለ ይሟሟሉ። ዋልታ ያልሆነ ሞለኪውል አዮዲን በሄክሳን ውስጥ በደንብ ይሟሟል፤ በዚያ በሟሙና በማሟሟቱ መካከል ያሉ የስርጭት ኃይሎች በእያንዳንዱ ንጹህ ንጥረ ነገር ውስጥ ካሉት ጋር ተመጣጣኝ ናቸው።

የተሠራ ምሳሌ፦ ተመሳሳይ ማለት ይቻላል የሞላር ክብደት ያላቸው ሦስት ፈሳሾች

ቡቴን (CH₃CH₂CH₂CH₃)፣ አሴቶን ((CH₃)₂CO) እና 1-ፕሮፓኖል (CH₃CH₂CH₂OH) በመፍላት ነጥብ ደረጃ ያውጡ። መጀመሪያ ወደ ሁለት አስርዮሽ የተጠጋጉ የIUPAC መደበኛ የአቶም ክብደቶችን (H 1.01፣ C 12.01፣ O 16.00 g/mol) በመጠቀም የሞላር ክብደቶችን ያነጻጽሩ። ቡቴን C₄H₁₀፦ 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol። አሴቶን C₃H₆O፦ 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol። 1-ፕሮፓኖል C₃H₈O፦ 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol። ክብደቶቹ ከ4% ባነሰ ይለያያሉ፤ ስለዚህ የስርጭት ኃይሎች በግምት ተመሳሳይ መሆን አለባቸው፤ ልዩነቶቹም ከዋልታነት ይመጣሉ።

በመቀጠል ኃይሎቹን ይመድቡ። ቡቴን C–C እና C–H ቦንዶችን ብቻ ይይዛል፤ በመሠረቱ ዋልታ አይደለም፤ ስለዚህ የስርጭት ኃይሎች ብቻ አሉት። አሴቶን በሦስት ማዕዘን ጠፍጣፋ አቀማመጥ የማይሰረዝ ዋልታ C=O ቦንድ አለው፤ ስለዚህ ዳይፖል–ዳይፖል ኃይሎችን ይጨምራል፤ ነገር ግን O–H ቦንድ የለውም፤ የሃይድሮጂን ቦንዶችን መስጠት አይችልም። 1-ፕሮፓኖል O–H ቡድን አለው፤ ስለዚህ የሃይድሮጂን ቦንድ ይጨምራል። ትንበያው ቡቴን < አሴቶን < 1-ፕሮፓኖል ነው።

NIST Chemistry WebBook መደበኛ የመፍላት ነጥቦችን ለቡቴን ወደ 273 K (0 °C)፣ ለአሴቶን 329.3 K (56.2 °C) እና ለ1-ፕሮፓኖል 370.3 K (97.2 °C) ይዘረዝራል፤ በT(°C) = T(K) − 273.15 ሲቀየር። ቅደም ተከተሉ ከትንበያው ጋር ይስማማል። ተመሳሳይ አመክንዮ በክፍል ሙቀት የእንፋሎት ግፊትን በተገላቢጦሽ ቅደም ተከተል ደረጃ ያወጣል፦ ቡቴን በ25 °C ጋዝ ነው፣ አሴቶን በፍጥነት ይተናል፣ 1-ፕሮፓኖል ደግሞ ቀስ ብሎ ይተናል።

የተሠራ ምሳሌ፦ የሞለኪውል መጠን ከዳይፖል ሲበልጥ

አሁን ዳይኤቲል ኤተር ((C₂H₅)₂O)፣ 1-ቡታኖል (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) እና ሄክሳን (C₆H₁₄) ያነጻጽሩ። ዳይኤቲል ኤተርና 1-ቡታኖል አይሶመሮች ናቸው፤ ሁለቱም C₄H₁₀O፦ 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol። ሄክሳን ከባድ ነው፦ 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol። ዳይኤቲል ኤተር ዋልታ ነው፤ ነገር ግን O–H ቦንድ የለውም፣ 1-ቡታኖል የሃይድሮጂን ቦንድ መፍጠር ይችላል፣ ሄክሳን ደግሞ ዋልታ አይደለም።

በሁለቱ አይሶመሮች መካከል የሃይድሮጂን ቦንድ ይወስናል፦ 1-ቡታኖል ከዳይኤቲል ኤተር እጅግ በላይ መፍላት አለበት። ሄክሳን አስተማሪው ጉዳይ ነው። በዋልታነት ብቻ የተመሠረተ ክርክር የመጨረሻ ያደርገዋል፤ ሄክሳን ግን ትልቅ ነው፣ ብዙ ኤሌክትሮኖች አሉት፣ የተዘረጋ ሰንሰለትም ነው፤ ስለዚህ የስርጭት ኃይሎቹ ከኤተሩ ስርጭትና ከደካማው ዳይፖል–ዳይፖል መሳሳብ ይበልጣሉ።

የNIST እሴቶች ይህንን ያረጋግጣሉ፦ ዳይኤቲል ኤተር 307.7 K (34.6 °C)፣ ሄክሳን 341.9 K (68.8 °C) እና 1-ቡታኖል 390.6 K (ወደ 117 °C)። ትምህርቱ የዋልታነት ንጽጽሮች በተመሳሳይ መጠን ባላቸው ሞለኪውሎች መካከል በጣም አስተማማኝ ናቸው የሚል ነው። መጠኖቹ በከፍተኛ ሁኔታ ሲለያዩ መጀመሪያ ስርጭትን ያስቡ፤ ከዚያ ዳይፖል ወይም የሃይድሮጂን ቦንድ ለመገልበጥ በቂ ጠንካራ መሆኑን ይጠይቁ። መሟሟትም ኃይሎቹን ይከተላል፦ ሄክሳን በውሃ ውስጥ በመሠረቱ አይሟሟም፤ ከውሃ ጋር የሃይድሮጂን ቦንድ መፍጠር የሚችለው 1-ቡታኖል ደግሞ በከፊል ይሟሟል።

የሞለኪውሎች መካከል ኃይሎችን ሲያነጻጽሩ ሊወገዱ የሚገቡ ስህተቶች

ደረጃ ከማውጣትዎ በፊት ጠንካራውን ብቻ ሳይሆን የእያንዳንዱን ንጥረ ነገር እያንዳንዱን ኃይል ይዘርዝሩ፤ የሞላር ክብደቶቹንም ይመዝግቡ። ይህ በጣም የተለመደውን ስህተት ይከላከላል፤ ማለትም መጠኑን ችላ እያሉ እንደ "ዋልታ" እና "ዋልታ ያልሆነ" ያሉ መለያዎችን ብቻ ማነጻጸር።

ከታች ያሉት ስህተቶች ስለ መፍላት ነጥብና መሟሟት በሚሰጡ ማብራሪያዎች ውስጥ በተደጋጋሚ ይነሳሉ።

• መፍላት ኮቫለንት ቦንዶችን ይሰብራል ማለት። መፍላት ሞለኪውሎችን ይለያል፤ ሞለኪውሎቹ እንዳሉ ይቆያሉ።
• ሃይድሮጂን ለያዘ ማንኛውም ሞለኪውል የሃይድሮጂን ቦንድ አለው ማለት። ሃይድሮጂኑ ከN፣ O ወይም F ጋር መተሳሰር አለበት።
• ዋልታ ያልሆኑ ንጥረ ነገሮች የሞለኪውሎች መካከል ኃይሎች የላቸውም ብሎ መውሰድ። ሁሉም ንጥረ ነገሮች የስርጭት ኃይሎች አሏቸው።
• በጣም የተለያየ መጠን ያላቸውን ሞለኪውሎች በዋልታነት ብቻ ደረጃ ማውጣት፣ የሄክሳኑ ምሳሌ እንደሚያሳየው።
• የእንፋሎት ግፊት አዝማሚያን መገልበጥ። ጠንካራ IMFs ዝቅተኛ የእንፋሎት ግፊትና ከፍተኛ የመፍላት ነጥብ ማለት ናቸው።
• "ተመሳሳይ ተመሳሳይን ያሟሟል"ን እንደ ሕግ እንጂ እንደ ግምታዊ ደንብ መውሰድ። መሟሟት በኢንትሮፒና በሙቀትም ላይ ይወሰናል።