De H2O watermolecuul is polair met intermoleculaire dipool-dipool waterstofbruggen. Omdat de watermoleculen elkaar aantrekken en bindingen vormen, vertoont water eigenschappen zoals een hoge oppervlaktespanning en een hoge verdampingswarmte. Intermoleculaire krachten zijn veel zwakker dan de intramoleculaire krachten die de moleculen bij elkaar houden, maar ze zijn nog steeds sterk genoeg om de eigenschappen van een stof te beïnvloeden. In het geval van water zorgen ze ervoor dat de vloeistof zich op unieke manieren gedraagt en geven ze enkele nuttige eigenschappen.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Water heeft sterke waterstofbinding dipool-dipool intermoleculaire krachten die water een hoge oppervlaktespanning en een hoge verdampingswarmte geven en die het tot een sterk oplosmiddel maken.
Polaire moleculen
Hoewel moleculen over het algemeen een neutrale lading hebben, kan de vorm van het molecuul zodanig zijn dat het ene uiteinde negatiever is en het andere uiteinde positiever. In dat geval trekken de negatief geladen uiteinden de positief geladen uiteinden van andere moleculen aan, waardoor zwakke bindingen worden gevormd, A polar molecuul wordt een dipool genoemd omdat het twee polen heeft, plus en min, en de bindingen die polaire moleculen vormen, worden dipool-dipool genoemd obligaties.
Het watermolecuul heeft zulke ladingsverschillen. Het zuurstofatoom in water heeft zes elektronen in zijn buitenste elektronensubschil waar plaats is voor acht. De twee waterstofatomen in water vormen covalente bindingen met het zuurstofatoom en delen hun twee elektronen met het zuurstofatoom. Als gevolg hiervan worden van de acht beschikbare bindingselektronen in het molecuul er twee gedeeld met elk van de twee waterstofatomen, waardoor er vier vrij blijven.
De twee waterstofatomen blijven aan de ene kant van het molecuul terwijl de vrije elektronen zich aan de andere kant verzamelen. De gedeelde elektronen blijven tussen de waterstofatomen en het zuurstofatoom, waardoor het positief geladen waterstofproton van de kern bloot komt te liggen. Dit betekent dat de waterstofkant van het watermolecuul een positieve lading heeft, terwijl de andere kant waar de vrije elektronen zijn een negatieve lading heeft. Als gevolg hiervan is het watermolecuul polair en is het een dipool.
Waterstofbruggen
De sterkste intermoleculaire kracht in water is een speciale dipoolbinding, de waterstofbinding. Veel moleculen zijn polair en kunnen bipool-bipoolbindingen vormen zonder waterstofbruggen te vormen of zelfs waterstof in hun molecuul te hebben. Water is polair en de dipoolbinding die het vormt, is een waterstofbinding op basis van de twee waterstofatomen in het molecuul.
Waterstofbindingen zijn bijzonder sterk omdat het waterstofatoom in moleculen zoals water een klein, naakt proton is zonder interne elektronenschil. Als gevolg hiervan kan het dicht bij de negatieve lading van de negatieve kant van een polair molecuul komen en een bijzonder sterke binding vormen. In water kan een molecuul tot vier waterstofbruggen vormen, met één molecuul voor elk waterstofatoom en met twee waterstofatomen aan de negatieve zuurstofzijde. In water zijn deze bindingen sterk, maar ze verschuiven, breken en vormen zich voortdurend om water zijn speciale eigenschappen te geven.
Ion-dipoolbindingen
Wanneer ionische verbindingen aan water worden toegevoegd, kunnen de geladen ionen bindingen vormen met de polaire watermoleculen. NaCl of keukenzout is bijvoorbeeld een ionische verbinding omdat het natriumatoom zijn enige buitenste schilelektron aan het chlooratoom heeft gegeven, waardoor natrium- en chloorionen zijn gevormd. Wanneer opgelost in water, dissociëren de moleculen in positief geladen natriumionen en negatief geladen chloorionen. De natriumionen worden aangetrokken door de negatieve polen van de watermoleculen en vormen daar ion-dipoolbindingen, terwijl de chloorionen bindingen vormen met de waterstofatomen. De vorming van ion-dipoolbindingen is een reden waarom ionische verbindingen gemakkelijk oplossen in water.
De effecten van intermoleculaire krachten op materiaaleigenschappen
Intermoleculaire krachten en de bindingen die ze produceren, kunnen van invloed zijn op hoe een materiaal zich gedraagt. In het geval van water houden de relatief sterke waterstofbruggen het water bij elkaar. Twee van de resulterende eigenschappen zijn een hoge oppervlaktespanning en een hoge verdampingswarmte.
De oppervlaktespanning is hoog omdat watermoleculen langs het wateroppervlak bindingen vormen die een soort elastische film op het oppervlak, waardoor het oppervlak wat gewicht kan dragen en waterdruppels in het rond kan trekken; vormen.
De verdampingswarmte is hoog omdat, zodra water het kookpunt bereikt, de watermoleculen nog steeds gebonden zijn en een vloeistof blijven totdat er voldoende energie is toegevoegd om de bindingen te verbreken. Bindingen op basis van intermoleculaire krachten zijn niet zo sterk als chemische bindingen, maar ze zijn nog steeds belangrijk om te verklaren hoe sommige materialen zich gedragen.