H2O ūdens molekula ir polāra ar starpmolekulārām dipola-dipola ūdeņraža saitēm. Kad ūdens molekulas piesaista viena otru un veido saites, ūdenim piemīt tādas īpašības kā augsts virsmas spraigums un augsts iztvaikošanas siltums. Starpmolekulārie spēki ir daudz vājāki nekā intramolekulārie spēki, kas satur molekulas kopā, taču tie joprojām ir pietiekami spēcīgi, lai ietekmētu vielas īpašības. Ūdens gadījumā tie liek šķidrumam uzvesties unikālos veidos un piešķir tam dažas noderīgas īpašības.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Ūdenim ir spēcīgi ūdeņraža saites dipola-dipola starpmolekulārie spēki, kas ūdenim piešķir lielu virsmas spraigumu un lielu iztvaikošanas siltumu un padara to par spēcīgu šķīdinātāju.
Polārās molekulas
Kaut arī molekulām kopumā ir neitrāls lādiņš, molekulas forma var būt tāda, ka viens gals ir negatīvāks, bet otrs - pozitīvāks. Tādā gadījumā negatīvi lādētie gali piesaista citu molekulu pozitīvi uzlādētos galus, veidojot vājas saites, A polāro molekulu sauc par dipolu, jo tai ir divi poli, plus un mīnus, un polāro molekulu formas saites sauc par dipola-dipolu obligācijas.
Ūdens molekulai ir šādas lādiņu atšķirības. Skābekļa atomā ūdenī ir seši elektroni tā ārējā elektronu apakšējā apvalkā, kur ir vieta astoņiem. Divi ūdeņraža atomi ūdenī veido kovalentās saites ar skābekļa atomu, abus savus elektronus dalot ar skābekļa atomu. Rezultātā no astoņiem pieejamajiem saistošajiem elektroniem molekulā divi tiek dalīti ar katru no diviem ūdeņraža atomiem, atstājot četrus brīvus.
Abi ūdeņraža atomi paliek vienā molekulas pusē, bet brīvie elektroni pulcējas otrā pusē. Kopīgie elektroni paliek starp ūdeņraža atomiem un skābekļa atomu, atstājot kodola pozitīvi uzlādētu ūdeņraža protonu. Tas nozīmē, ka ūdens molekulas ūdeņraža pusē ir pozitīvs lādiņš, bet otrā pusē, kur atrodas brīvie elektroni, ir negatīvs lādiņš. Tā rezultātā ūdens molekula ir polāra un ir dipols.
Ūdeņraža saites
Spēcīgākais starpmolekulārais spēks ūdenī ir īpaša dipola saite, ko sauc par ūdeņraža saiti. Daudzas molekulas ir polāras un var veidot bipola-bipola saites, neveidojot ūdeņraža saites vai pat molekulā nav ūdeņraža. Ūdens ir polārs, un tā izveidotā dipola saite ir ūdeņraža saite, kuras pamatā ir divi molekulā esošie ūdeņraža atomi.
Ūdeņraža saites ir īpaši spēcīgas, jo ūdeņraža atoms tādās molekulās kā ūdens ir mazs, kails protons bez iekšējā elektronu apvalka. Rezultātā tas var tuvoties polārās molekulas negatīvās puses negatīvajam lādiņam un veidot īpaši spēcīgu saiti. Ūdenī molekula var veidot līdz četrām ūdeņraža saitēm ar vienu molekulu katram ūdeņraža atomam un ar diviem ūdeņraža atomiem negatīvā skābekļa pusē. Ūdenī šīs saites ir stipras, taču tās nepārtraukti mainās, plīst un atkal veidojas, lai piešķirtu ūdenim īpašās īpašības.
Jona-Dipola obligācijas
Pievienojot ūdenim jonu savienojumus, lādētie joni var veidot saites ar polārajām ūdens molekulām. Piemēram, NaCl jeb galda sāls ir jonu savienojums, jo nātrija atoms savu vienīgo ārējā apvalka elektronu ir atdevis hlora atomam, veidojot nātrija un hlora jonus. Izšķīdinot ūdenī, molekulas disociējas pozitīvi lādētos nātrija jonos un negatīvi lādētos hlora jonos. Nātrija joni tiek piesaistīti ūdens molekulu negatīvajiem poliem un tajos veido jonu-dipola saites, bet hlora joni - ar ūdeņraža atomiem. Jonu-dipolu saišu veidošanās ir iemesls, kāpēc jonu savienojumi ūdenī viegli izšķīst.
Starpmolekulāro spēku ietekme uz materiālajām īpašībām
Starpmolekulārie spēki un to radītās saites var ietekmēt materiāla uzvedību. Ūdens gadījumā samērā spēcīgās ūdeņraža saites notur ūdeni kopā. Divas no iegūtajām īpašībām ir augsts virsmas spraigums un augsts iztvaikošanas siltums.
Virsmas spriegums ir augsts, jo ūdens molekulas gar ūdens virsmu veido saites, kas rada sava veida elastīga plēve uz virsmas, ļaujot virsmai noturēt nelielu svaru un izvelkot ūdens pilienus noapaļot formas.
Tvaikošanas siltums ir augsts, jo, kad ūdens sasniedz vārīšanās temperatūru, ūdens molekulas joprojām ir saistītas un paliek šķidras, līdz tiek pievienots pietiekami daudz enerģijas, lai saites pārtrūktu. Saites, kuru pamatā ir starpmolekulāri spēki, nav tik spēcīgas kā ķīmiskās saites, taču tām joprojām ir liela nozīme, izskaidrojot dažu materiālu uzvedību.