ה- H2מולקולת מים O היא קוטבית עם קשרי מימן בין-מולקוליים דיפול-דיפול. כאשר מולקולות המים מושכות זו את זו ויוצרות קשרים, מים מציגים מאפיינים כמו מתח פנים גבוה וחום אידוי גבוה. כוחות בין-מולקולריים חלשים בהרבה מכוחות תוך-מולקולריים המחזיקים את המולקולות יחד, אך הם עדיין חזקים מספיק בכדי להשפיע על תכונות החומר. במקרה של מים, הם גורמים לנוזל להתנהג בדרכים ייחודיות ומעניקים לו כמה מאפיינים שימושיים.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
למים יש כוחות אינטימולקולריים דיפול-דיפול בעלי קשרי מימן חזקים המעניקים למים מתח פנים גבוה וחום אידוי גבוה והופכים אותם לממס חזק.
מולקולות קוטביות
בעוד שלמולקולות יש מטען ניטרלי בסך הכל, צורת המולקולה עשויה להיות כזו שקצה אחד שלילי יותר והקצה השני חיובי יותר. במקרה זה, הקצוות הטעונים שלילית מושכים את הקצוות הטעונים באופן חיובי של מולקולות אחרות, ויוצרים קשרים חלשים, קוטביים מולקולה נקראת דיפול כי יש לה שני קטבים פלוס מינוס, והקשרים המולקולות הקוטביות נקראים דיפול דיפול קשרים.
למולקולת המים יש הבדלי מטען כאלה. אטום החמצן במים כולל שישה אלקטרונים בקליפת האלקטרונים החיצונית שלו, שם יש מקום לשמונה. שני אטומי המימן במים יוצרים קשרים קוולנטיים עם אטום החמצן, ומשתפים את שני האלקטרונים שלהם עם אטום החמצן. כתוצאה מכך, מתוך שמונת אלקטרוני הקשר הזמינים במולקולה, שניים משותפים עם כל אחד משני אטומי המימן ומשאירים ארבעה פנויים.
שני אטומי המימן נשארים בצד אחד של המולקולה ואילו האלקטרונים החופשיים מתאספים בצד השני. האלקטרונים המשותפים נשארים בין אטומי המימן לאטום החמצן ומשאירים את פרוטון המימן הטעון החיובי של הגרעין חשוף. פירוש הדבר שלצד המימן של מולקולת המים יש מטען חיובי, ואילו לצד השני בו נמצאים האלקטרונים החופשיים יש מטען שלילי. כתוצאה מכך, מולקולת המים היא קוטבית והיא דיפול.
אג"ח מימן
הכוח הבין-מולקולרי החזק ביותר במים הוא קשר דיפול מיוחד הנקרא קשר מימן. מולקולות רבות הן קוטביות ויכולות ליצור קשרים דו-קוטביים-דו-קוטביים מבלי ליצור קשרי מימן או אפילו להכיל מימן במולקולה שלהם. המים הם קוטביים, וקשר הדיפול שהם יוצרים הוא קשר מימן המבוסס על שני אטומי המימן במולקולה.
קשרי מימן חזקים במיוחד מכיוון שאטום המימן במולקולות כגון מים הוא פרוטון עירום קטן ללא מעטפת אלקטרונים פנימית. כתוצאה מכך הוא יכול להתקרב למטען השלילי של הצד השלילי של מולקולה קוטבית וליצור קשר חזק במיוחד. במים, מולקולה יכולה ליצור עד ארבע קשרי מימן, עם מולקולה אחת לכל אטום מימן ועם שני אטומי מימן בצד החמצן השלילי. במים, קשרים אלה חזקים אך משתנים כל הזמן, נשברים ומתהווים מחדש כדי להעניק למים את תכונותיהם המיוחדות.
אג"ח יון-דיפול
כאשר מוסיפים תרכובות יוניות למים, היונים הטעונים יכולים ליצור קשרים עם מולקולות המים הקוטביות. לדוגמא, NaCl או מלח שולחן הם תרכובת יונית מכיוון שאטום הנתרן נתן אלקטרון הקליפה החיצוני היחיד שלו לאטום הכלור, ויוצר יוני נתרן וכלור. כאשר הם מומסים במים, המולקולות מתנתקות ליוני נתרן טעונים חיוביים וליני כלור טעונים שלילית. יוני הנתרן נמשכים לקטבים השליליים של מולקולות המים ויוצרים שם קשרים יונים-דיפוליים, בעוד שיני הכלור יוצרים קשרים עם אטומי המימן. יצירת קשרי יונים-דיפול היא סיבה מדוע תרכובות יוניות מתמוססות בקלות במים.
ההשפעות של כוחות בין-מולקולריים על תכונות חומריות
כוחות בין-מולקולריים והקשרים שהם מייצרים יכולים להשפיע על התנהגות חומר. במקרה של מים, קשרי המימן החזקים יחסית מחזיקים את המים יחד. שניים מהמאפיינים המתקבלים הם מתח פנים גבוה וחום אידוי גבוה.
מתח פני השטח גבוה מכיוון שמולקולות מים לאורך פני המים יוצרות קשרים היוצרים סוג של סרט אלסטי על פני השטח, המאפשר למשטח לתמוך במשקל כלשהו ומושך טיפות מים לעגל צורות.
חום האידוי גבוה מכיוון שברגע שהמים מגיעים לנקודת הרתיחה, מולקולות המים עדיין קשורות ונשארות נוזליות עד שמוסיפה מספיק אנרגיה כדי לשבור את הקשרים. אג"ח המבוססות על כוחות בין-מולקולריים אינן חזקות כמו קשרים כימיים, אך הן עדיין חשובות להסבר כיצד חומרים מסוימים מתנהגים.