Intermolekylära krafter

Question 1

Vilka olika intermolekylära krafter finns? berätta lite kort om varje.

Answer 1

Jon-dipol: tex salter i vatten, där vattnet negativa sida attraheras av positiva joner och vice versa.

Dipol-dipol: bindningar mellan en negativ sida på en polär molekyl och den positiva sidan på en annan polär molekyl.

Vätebindning: En väteatom bunden till en starkt elektronegativ atom kan binda till en annan starkt elektronegativ atom.

Dispersionskrafter/londonkrafter: En slumpmässigt inducerad dipol påverkar en annan molekyl till att bli en inducerad dipol.

Question 2

Vad påverkar kokpunkten hos ett ämne?

Answer 2

Bestäms av en balans mellan krafter som:

• håller molekylerna samman (intermolekylära krafter)
• drar isär molekylerna (termisk rörelse)

Ämnen med starka intermolekylära krafter har hög kokpunkt (Tb) (olika typer av intermolekylära krafter är olika starka) Stora molekyler har mer kontaktyta och därför högre Tb. Molekyler som kan packas tätare har mer kontakt och har högre Tb. När molmassan ökar, ökar dispersionskrafterna i styrka, och det gör även kokpunkterna.

Question 3

Förklara varför vatten har så hög kokpunkt.

Answer 3

.

Question 4

Varför har iskristaller 6-sidig symmetri?

Answer 4

.

Question 5

Men varför kan även helt opolära molekyler (t.ex. alkaner) och t.o.m. ädelgaser kondensera till vätskor?

Answer 5

Även en opolär molekyl (atom) kan polariseras av ett yttre fält. Ju mer lättrörligt elektronmoln desto mer polariserbar. Interaktion mellan en jon eller dipol och en inducerad dipol.

Question 6

Hur ser kopplingen mellan styrka på dipolmoment och elektronegativitet ut?

Answer 6

Ju mer elektronegativ desto starkare dipolmoment och mindre polariserbar.

Question 7

Vad menas med en inducerad dipol?

Answer 7

Slumpmässiga rörelser i elektronmolnet kan leda till att elektronerna fördelas ojämt och på så sätt skapar en dipol. Denna dipol kan sedan skapa en tillfällig inducerad dipol hos en annan molekyl osv osv.

• För en opolär molekyl inducerar distorsionen ett temporärt dipolmoment.
• För en polär molekyl inducerar distorsionen en ökning av det redan existerande dipolmoment.

Question 8

Om man tar in inducerade dipoler i beräkningen får vi tre nya intermolekylära krafter, vilka?

Answer 8

Jon – inducerad dipol
Dipol – inducerad dipol
Inducerad dipol – inducerad dipol
(kallas även London-krafter,
eller Dispersionskrafter)

Question 9

Rangordna de sex olika intermolekylära bindningarna enligt bindningsstyrka (i kJ/mol) där högst kommer först

Answer 9

1. Jon-dipol bindning
2. Vätebindning
   3 dipol-dipol
3. Jon-inducerad dipol
4. dipol- inducerad dipol
5. Dispersionskrafter (inducerad dipol-inducerad dipol)

Question 10

Varför är de intermolekylära krafterna i bensen (6-hörning med varannan dubbelbindning) starkare än dem i cyklohexan? (6-hörning)

Answer 10

För att elektronerna i pi-bindningarna i bensen är mer polariserbara än elektroner i sigmabindningar. Så dispersionskrafterna blir större.

Question 11

Förklara dipol-dipol krafter lite mer detaljerat.

Answer 11

Dipol-dipolkrafter existerar bara för polära molekyler, inte för opolära molekyler. Dessa krafter beror på storleken på det molekylära dipolmomentet. För föreningar med liknande molmassa gäller att ju större molekylärt dipolmoment desto större dipol-dipolkrafterna. Ju större dipol-dipolkrafterna är, desto mer energi tar det att separera molekyler, så kokpunkten är högre. Metylklorid har till exempel en
mindre dipolmoment än acetaldehyd och kokar vid lägre temperatur. Dipol-dipolkrafter mellan partiella laddningar av polära molekyler är inte lika starka
som jon-dipolkrafter mellan den fulla laddningen av joner och partiell laddning av polära molekyler.

Question 12

Berätta om vätebindningar lite mer i detalj och förklara varför de är så viktiga inom biologin.

Answer 12

Vätebindningar är i teorin extra starka dipol-dipol bindningar, på grund av en väteatom som sitter bunden till en av de högt elektronegativa atomerna i PS: N, O och F. I praktiken så beter sig dock vätebindningar mer som en kovalent bindning på grund av den stora skillnaden i EN, men det är fortfarande en intermolekylär bindning så den faller inte under det namnet.

Vätebindningar är extremt viktiga dels för att det ger vatten sina extremt specifika egenskaper, men också för att det är en viktig mekanism för proteinveckning och därmed även enzymstruktur. DNA basparningen sitter ihop pga vätebindningar så utan dem hade inte livet vi känner till idag varit möjligt.

Question 13

Polariserbarhet påverkar alla intermolekylära krafter. Hur ser trenderna för polariserbarhet ut i det periodiska systemet?

Answer 13

Polariserbarheten ökar nedåt i en grupp eftersom atomstorleken ökar och större elektronmoln är lättare att förvränga.

Polariserbarheten minskar i en period eftersom ökad effektiv kärnladdning gör atomerna mindre och håller elektronerna tätare.

Question 14

Är katjoner eller anjoner mer polariserbara? Motivera

Answer 14

Katjoner är mindre polariserbara för att de är mindre, och alltså håller hårdare i sina elektroner.

Question 15

Varför löser sig inte olja i vatten? Förklara på molekylnivå.

Answer 15

För att vattnet ska kunna lösa kolvätet måste man isåfall dela på vattenmolekyler, som binder starkt till varandra (vätebindningar) och dela på kolvätemolekyler som binder svagt till varandra (dispersions-krafter). Istället skulle man då bilda bindningar kolväte-vatten, som inte heller är så starka (dipol – inducerad dipol). Summan av bindningarna är starkare om vattnet och kolvätet är var för sig. Det är framförallt de starka krafterna mellan vattenmolekylerna som gör det svårt att lösa kolvätet (”hydrofob effekt”).

Question 16

Vad innebär “Hydrofob effekt” egentligen?

Answer 16

Tendensen att opolära ämnen i vatten tenderar att klumpa ihop sig. ”Hydrofob effekt” beror på att vattnet vill minska sin yta mot opolära ämnen (eller gaser), så det omarrangerar sig

Question 17

Vad beror hög ytspänning på?

Answer 17

att ämnet har starka intermolekylära krafter. Pga att vatten har en form som gör att varje molekyl kan ha fyra vätebindningar, så är det ett av de ämnena med högt ytspänning som finns, annars är det nån enstaka flytande metall typ.

Question 18

Vad innebär ytspänning?

Answer 18

Ytspänning är ett mått på den energi som går åt för att skapa ny gränsyta.

Question 19

Närvaron av ett löst icke-flyktigt ämne ger en lösning andra fysikaliska egenskaper än det rena lösningsmedlet. Man säger att lösningen av det icke flyktiga ämnet ger fyra stycken kolligativa egenskaper. Vad menas med “kolligativa egenskaper” och vilka är de fyra?

Answer 19

Egenskaper som beror på mängden/antalet lösta molekyler, och inte på egenskaperna hos det lösta ämnet i sig. Dessa fyra är Kokpunktshöjning, Fryspunktssänkning, ändring i osmotiskt tryck & ångtryckssänkning.

Question 20

En kolligativ egenskap påverkar ångtrycket för en lösning. Hur ser förhållandet ut mellan ångtryck och tillägg av löst ämne i en lösning vs det rena lösningsmedlet?

Answer 20

Tillägg av löst ämne orsakar en sänkning i ångtryck.

Raoults lag säger att ångtrycket för lösningsmedlet över en lösning (Psolvent) är lika med molfraktionen av lösningsmedel (Xsolvent) gånger ångtrycket för det rena lösningsmedlet (P°lösningsmedel): Psolvent = Xsolvent × P°solvent

-> P°solvent – Psolvent = ΔP = Xsolute × P°solvent

Question 21

En kolligativ egenskap påverkar kokpunkten (Tb) för en lösning. Hur påverkas kokpunkten av en ökning av löst ämne jämför med det rena lösningsmedlet?

Answer 21

Kokpunkten för en lösning ökar när mängden löst ämne ökar (ΔTb).

∆𝑇𝑏 =𝐾𝑏 x 𝑚 där 𝑚 = 𝑚𝑜𝑙 𝑙ö𝑠𝑡 ä𝑚𝑛𝑒/𝑘𝑔_𝑙ö𝑠𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 och Kb är en konstant för lösningsmedlet.

Question 22

Den tredje kolligativa egenskapen påverkar fryspunkten, hur då och varför?

Answer 22

En ökning av löst ämne orsakar en sänkning i fryspunkt. Detta pga att det lösta ämnet “tar lösningsmedlets plats” vilket gör att smältning sker snabbare –> ny jämvikt mellan fast och flytande ämne uppnås vid lägre temp.

∆𝑇𝑓 = 𝐾 𝑓 x 𝑚 där Kf är en konstant för lösningsmedlet.

Question 23

En annan kolligativ egenskap observeras när lösningar med högre och lägre koncentrationer separeras av ett semipermeabelt membran, ett som tillåter lösningsmedel, men inte löst ämne, att passera igenom. Fenomenet kallas osmos. Vad innebär detta och varför sker det?

Answer 23

Osmos innebär att nettoflödet av lösningsmedel går till den mer koncentrerade lösningen, och orsakar en tryckskillnad som kallas osmotiskt tryck. Detta sker pga att den sida med mindre löst ämne har fler lösningsmedelsmolekyler som träffar och går igenom membranet än den sida med mer löst ämne. Detta leder till att koncentrationen minskar på den sida med initalt mer löst ämne. 
Osmotiskt tryck (Π) : Π =𝑐 x 𝑅 x 𝑇 
Koncentrationen c ges i mol per m3

Question 24

Vad är det genomgående temat för de kolligativa egenskaperna?

Answer 24

Att de uppstår för att det lösta ämnets partiklar inte kan flytta mellan faser:

• De kan inte gå in i gasfasen, vilket leder till ångtryckssänkning och kokpunktshöjning.
• De kan inte komma in i den fasta fasen, vilket leder till fryspunktssänkning.
• De kan inte passera ett semipermeabelt membran, vilket leder till osmotiskt tryck

Question 25

Vad är Dielektricitetskonstanten (𝛆) ett mått på?

Answer 25

Dielektricitetskonstanten (𝛆) är ett mått på hur polärt ett ämne är.

Relevant i coulombs lag: 𝐸 = 𝑞1𝑞2/4𝜋𝜀0𝜀𝑟
q1, q2 = laddningsmängd
𝛆0 = 8,854x10^-12 kg m s-2 A-2 är vacuumpermittiviteten (en fundamentalkonstant)
𝛆 = dielektricitetskonstant (relativt vaccum)
r = avståndet mellan jonerna

Question 26

Hur ser relationen ut mellan dipolmomentet och värdet på 𝛆 ut?

Answer 26

Stort dipolmoment => mycket polärt => högt värde på 𝛆

Question 27

Vad är Brytningsindex (n) ett mått på?

Answer 27

Brytningsindex (n) är ett mått på hur polariserbart ett ämne är (oftast fast eller flytande).
Ljuset interagerar med lättrörliga elektroner och rör sig därför långsammare än i luft (n ≈ 1).

Question 28

Det är viktigt att hålla isär begreppen polär och polariserbar, ange en fundamental skillnad på vad de innebär.

Answer 28

En polär molekyl är en permanent dipol (högre värde på 𝛆) medan en polariserbar molekyl är opolär men kan bli en inducerad dipol temporärt. (högre värde på n)

Question 29

Salter löser sig ofta bra i vatten – starka intermol. krafter. Även om reaktionen ibland är endoterm (t.ex. NaCl och NaNO3) hjälper den stora entropiökningen att göra reaktionen spontan. Vad innebär solvatiseringsentropin (∆Hsolv)?

Answer 29

Solvatiseringsentalpin ∆Hsolv (kallas för
hydratiseringsentalpin ∆Hhydr om det gäller vatten) = skillnaden i energi mellan joner i lösning och i gasfas. (joner i gasfas “vill” inte vara det)

Question 30

Jonen polariserar lösningsmedlet genom att det orienterar sig efter jonens fält. Lösningsmedlets dipoler sätter då
upp ett fält med motsatt riktning relativt fältet från jonen.
Det sammanlagda fältet blir då mycket svagare än om jonen varit i ett opolärt lösningsmedel. Detta är bakgrunden till born-energi, vad är det?

Answer 30

Born-energi innebär alltså hur mycket energi det kostar att flytta laddning mellan ämnen/lösningsmedel. En liten jon, med hög laddning, polariserar lösningsmedlet mycket mer!

𝐸𝐵𝑜𝑟𝑛 = (𝑧𝑒)2/8𝜋𝜀0𝜀𝑟
z = jonens laddningstal
e = elementarladdningen
r = jonradien

Question 31

Vad innebär hydratisering? Vad har detta för konsekvenser för jonen?

Answer 31

Små joner, och joner med högt laddningstal, attraherar vatten så mycket att vattnet mer eller mindre binder till jonen. Jonen hydratiseras.

En hydratiserad jon har alltså vatten bundet till sig, som följer med när jonen flyttar på sig, och jonen och det bundna vattnet tillsammans ger en större effektiv radie. En liten och högt laddad jon hydratiseras av många vattenmolekyler (får en mycket stor hydratiserad radie) och rör sig därför långsammare (mer friktionsyta)

Question 32

En lösning leder ström genom att joner vandrar i det elektriska fältet. Vilka faktorer påverkar ledningsförmågan hos en lösning?

Answer 32

Ju högre koncentration, ju högre laddning och ju mer lättrörliga jonerna är, desto bättre ledningsförmåga (konduktivitet).

Question 33

Förklara varför: metanol har ett lägre brytningsindex (n = 1.327) men högre dielektricitetskonstant (= 33) än bensen.

Answer 33

Metanol är en dipol och har stor tendens att orientera sig i ett elektriskt fält → högre dielektricitetskonstant, 𝛆
Brytningsindex beror mer på polariserbarheten. Bensen är en större molekyl och π-elektroner, så den är mer polariserbar → högre brytningsindex, n

Question 34

Fördelningskonstanten för ett ämne mellan vatten (𝛆= 80) och oktanol (𝛆= 10) är ett vanligt mått på ett ämnes hydrofobicitet/hydrofilicitet, och används t.ex. vid utveckling av läkemedel för att uppskatta hur ämnet kommer att fördela sig mellan fett- och vattenfas i
kroppen. Med hänvisning till begreppet Born-energi, diskutera och uppskatta kvalitativt hur
fördelningskonstanten konc.oktanol/konc.vatten skulle vara olika för
a) (CH3)4N+ (r = 3,5 Å)
b) ett globulärt protein med nettoladdningen 1+ (r = 12 Å).

Answer 34

Det bör vara mer energimässigt fördelaktigt att vara i vattenfasen för den lilla jonen.
Fördelningskonstanten blir därför mindre för den, och alltså störst för proteinet.