Mitä molekyylien välisiä voimia esiintyy vedessä?

H₂O vesimolekyyli on polaarinen molekyylien välisten dipoli-dipoli-vetysidosten kanssa. Kun vesimolekyylit houkuttelevat toisiaan ja muodostavat sidoksia, vedellä on ominaisuuksia, kuten suuri pintajännitys ja suuri höyrystymislämpö. Molekyylien väliset voimat ovat paljon heikompia kuin molekyylien sisäiset voimat, jotka pitävät molekyylejä yhdessä, mutta ne ovat silti riittävän vahvoja vaikuttamaan aineen ominaisuuksiin. Veden tapauksessa ne saavat nesteen käyttäytymään ainutlaatuisilla tavoilla ja antavat sille hyödyllisiä ominaisuuksia.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Vedellä on voimakkaat vetysidosdipoli-dipoli-molekyylien väliset voimat, jotka antavat vedelle suuren pintajännityksen ja korkean höyrystymislämmön ja tekevät siitä vahvan liuottimen.

Vaikka molekyyleillä on kokonaisuudessaan neutraali varaus, molekyylin muoto voi olla sellainen, että toinen pää on negatiivisempi ja toinen pää positiivisempi. Tällöin negatiivisesti varautuneet päät houkuttelevat muiden molekyylien positiivisesti varautuneita päitä muodostaen heikkoja sidoksia, polaarisia molekyyliä kutsutaan dipoliksi, koska sillä on kaksi napaa, plus ja miinus, ja polaaristen molekyylien muodostamia sidoksia kutsutaan dipoli-dipoliksi joukkovelkakirjat.

Vesimolekyylillä on tällaiset varauserot. Veden happiatomissa on kuusi elektronia sen ulommassa elektroni-alikuoressa, jossa on tilaa kahdeksalle. Vedessä olevat kaksi vetyatomia muodostavat kovalenttisia sidoksia happiatomiin ja jakavat kaksi elektroniaan happiatomin kanssa. Tämän seurauksena molekyylissä olevista kahdeksasta käytettävissä olevasta sitoutumiselektronista kaksi jaetaan kummankin vetyatomin kanssa jättäen neljä vapaata.

Kaksi vetyatomia pysyvät molekyylin toisella puolella, kun taas vapaat elektronit kerääntyvät toiselle puolelle. Jaetut elektronit pysyvät vetyatomien ja happiatomin välillä jättäen ytimen positiivisesti varautuneen vetyprotonin alttiiksi. Tämä tarkoittaa, että vesimolekyylin vetypuolella on positiivinen varaus, kun taas toisella puolella, jossa vapaat elektronit ovat, on negatiivinen varaus. Tämän seurauksena vesimolekyyli on polaarinen ja on dipoli.

Voimakkain molekyylien välinen voima vedessä on erityinen dipolisidos, jota kutsutaan vetysidokseksi. Monet molekyylit ovat polaarisia ja voivat muodostaa bipoli-bipolisidoksia muodostamatta vetysidoksia tai edes vetyä molekyylissään. Vesi on polaarinen, ja sen muodostama dipolisidos on vetysidos, joka perustuu molekyylin kahteen vetyatomiin.

Vetysidokset ovat erityisen vahvoja, koska vetyatomi molekyyleissä, kuten vedessä, on pieni, alasti protoni, jolla ei ole sisäistä elektronikuorta. Tämän seurauksena se voi päästä lähelle napamolekyylin negatiivisen puolen negatiivista varausta ja muodostaa erityisen vahvan sidoksen. Vedessä molekyyli voi muodostaa jopa neljä vetysidosta, joissa on yksi molekyyli kutakin vetyatomia kohden ja kaksi vetyatomia negatiivisella happipuolella. Vedessä nämä sidokset ovat vahvoja, mutta muuttuvat jatkuvasti, hajoavat ja muodostuvat uudelleen antaakseen vedelle sen erityisiä ominaisuuksia.

Kun ionisia yhdisteitä lisätään veteen, varatut ionit voivat muodostaa sidoksia polaaristen vesimolekyylien kanssa. Esimerkiksi NaCl tai pöytäsuola on ioninen yhdiste, koska natriumatomi on antanut ainoan ulkokuorielektronin klooriatomille muodostaen natrium- ja kloori-ioneja. Veteen liuennut molekyylit hajoavat positiivisesti varautuneiksi natriumioneiksi ja negatiivisesti varautuneiksi kloori-ioneiksi. Natriumionit houkuttelevat vesimolekyylien negatiivisiin napoihin ja muodostavat siellä ioni-dipolisidoksia, kun taas kloori-ionit muodostavat sidoksia vetyatomien kanssa. Ioni-dipolisidosten muodostuminen on syy, miksi ioniset yhdisteet liukenevat helposti veteen.

Molekyylien väliset voimat ja niiden tuottamat sidokset voivat vaikuttaa materiaalin käyttäytymiseen. Veden tapauksessa suhteellisen vahvat vetysidokset pitävät vettä yhdessä. Kaksi tuloksena olevista ominaisuuksista on korkea pintajännitys ja suuri höyrystymislämpö.

Pintajännitys on korkea, koska veden pinnalla olevat vesimolekyylit muodostavat sidoksia, jotka luovat eräänlaisen joustava kalvo pinnalla, jolloin pinta kestää jonkin verran painoa ja vetää vesipisaroita pyöreiksi muodot.

Höyrystymislämpö on korkea, koska kun vesi saavuttaa kiehumispisteen, vesimolekyylit ovat edelleen sitoutuneet ja pysyvät nestemäisinä, kunnes lisätään tarpeeksi energiaa sidosten rikkomiseksi. Molekyylien välisiin voimiin perustuvat sidokset eivät ole yhtä vahvoja kuin kemialliset sidokset, mutta ne ovat silti tärkeitä selitettäessä joidenkin materiaalien käyttäytymistä.