Másodrendű kötések, molekularács
Az anyagi halmazok atomokból, ionokból, molekulákból vagy ezek kombinációiból állhatnak. Fizikai és kémiai tulajdonságaikat az őket alkotó részecskék tulajdonságai és a részecskék között lévő kölcsönhatások határozzák meg. Az atomok elsőrendű kötésekkel (ionos, fémes, kovalens) kapcsolódhatnak egymáshoz, de ezek mellett másodrendű kötések is kialakultak, melyek jóval gyengébbek.
A másodrendű kötések a molekulákból felépülő anyagokban, a molekulák között alakultak ki, három típusukat ismerjük. Erősségük kb. a tizede az elsőrendű kötésekének. Csak folyadékokban vagy szilárd anyagokban alakul ki, mivel rövid hatótávolságú. A fizikai állandókból (olvadáspont, forráspont) következtethetünk erősségükre.
Diszperziós kölcsönhatás:
- Időleges töltéseltolódást alakít ki az atommagok rezgéséből adódóan.
- Pillanatnyi dipólusosság alakulhat ki, hogyha egy apoláris molekula közel kerül egy másikhoz. Ilyenkor az egyik molekula atommagja vonzó hatást gyakorol a másik molekula elektronfelhőjére.
- A molekula méretének növekedésével a pillanatnyi dipólusosság is növekszik, a kölcsönhatás erősödik.
- Ez biztosítja például az apoláris molekulákból álló jód vagy a nagy szénatomszámú paraffinok szilárdságát.
- Pl.: nemesgázok, apoláris molekulák
Dipol-dipol kölcsönhatás:
- Poláris molekulák közötti elektrosztatikus vonzóerőt jelent.
- Pl.: dipólusmolekulák, víz (hidrogénkötés is lesz!)
Hidrogénkötés:
- Olyan másodrendű kémiai kötés, ahol a két molekulát egy hidrogénatom kapcsolja össze.
- Kialakulásának feltétele, hogy a molekulában legyen nagy elektronegativitású (F, O, N) atomhoz kapcsolódó hidrogén és nemkötő elektronpár.
- Az a molekula, ami a nemkötő elektronpárt adja az akceptor, amelyik a hidrogént, az a donor.
- Pl.: víz
A jégben tipikusan hidrogénkötés alakul ki, minden vízmolekula 4 másikkal képes kötést létesíteni. Az oxigének nemkötő elektronpárjai kapcsolódnak a vízmolekula hidrogénjeivel.
A hidrogénkötés rendkívül nagy szerepet játszik a földi élet kialakításában is, ugyanis a vízmolekulák között kialakuló hidrogénkötésnek köszönhető, hogy a víz a földi körülmények között mindhárom halmazállapotban előfordul. A molekulák dipólusos jellege mellet a kialakuló hidrogénkötésnek köszönhető, hogy a víz olvadás- és forráspontja a moláris tömegéhez képest nagyon magas érték (a 2 g/mol-lal könnyebb CH4 forráspontja -161,6 °C!).
A folyadékok rendszerint lehűlés közben összehúzódnak, fagyáspontjukon a legnagyobb a sűrűségük. A lehűlő víz is +4 °C-ig így viselkedik. Tovább hűtve viszont tágulni kezd, azaz csökken a sűrűsége a fagyáspontig. Ezen a ponton a megszilárdulás közben kialakuló hidrogénkötések azt eredményezik, hogy a vízmolekulák távolabb kerülnek egymástól, mint a folyékony vízben voltak.
Mivel így a jég sűrűsége kisebb, mint a vízé, a folyók és tavak nem fagynak be a meder aljáig, a jégtáblák a víz felszínén úsznak.
A hidrogénkötés kialakulása sok szerves vegyület szerkezetében is meghatározó szerepet játszik, például a fehérjék szekunder és tercier struktúrájában, valamint a DNS kettős hélix kialakulásában.
Molekularács:
A szilárd halmazállapotú anyagok részecskéi között lényegesen nagyobb vonzóerők működnek, mint a gázok vagy folyadékok részecskéi között. A részecskék csak rezgőmozgást végezhetnek. A szilárd anyagok alakja és térfogata állandó.
A szilárd anyagokat részecskéik elrendeződése alapján két csoportba sorolhatjuk kristályos anyagok és amorf anyagok.
Amorf anyagok: nem képeznek szabályos rácsot, melegítése során folyamatosan, fokozatosan lágyulnak meg, nincs élesen meghatározott olvadáspontjuk. Amorf anyag például az üveg, a zsír vagy az amorf kén.
Kristályos anyagok: részecskéik szabályos rendben, egy képzeletbeli térháló pontjaiban helyezkednek el. Élesen elhatárolható olvadáspontjuk van. Jellemezhetőek a rácsenergiával, ami 1 mol kristályos anyag gáz halmazállapotú részecskékre történő bontásához szükséges energia, jele Er, mértékegysége kJ/mol.
A kristályos anyagokat négyféle rácsszerkezet alkothatja, ezek egyike a molekularács.
Molekularács:
- rácspontokon molekulák vannak
- molekulákon belül az atomok között kovalens kötés, a rácsban a molekulák között másodrendű kötések alakulnak ki (hidrogénkötés, dipol-dipol kölcsönhatás, diszperziós kölcsönhatás)
- lágyak, olvadáspontjuk alacsony
- áramot nem vezetik
- pl.: szerves vegyületek (pl.: szénhidrogének, cukrok, stb.), O2, N2, H2, CO2, jód
A molekularácsos anyagok olvadás- és forráspontértéke függ a halmazt alkotó molekulák tömegétől és a közöttük fellépő másodrendű kötések erősségétől. Így például a fluor- és brómmolekulák között csak diszperziós kölcsönhatás lép fel, de a molekulák tömege jelentősen különbözik, ezért a forráspontjuk között nagy az eltérés (-188 °C illetve 58 °C).
A hasonló molekulatömegű részecskékből álló halmazok olvadás- és forráspontjában nagy különbség mutatkozhat attól függően, hogy milyen másodrendű kötőerők alakulnak ki a molekulák között. Ezt jól szemlélteti a metán és a víz forráspontjának az összehasonlítása (víz: +100 °C; metán -161,6 °C).