B3.2 Intermolekylære bindinger
Butan er en gas, som bruges i lightere. Propan-1-ol er en væske, der først koger ved 97 °C. De to molekyler vejer næsten det samme. Forskellen ligger ikke inde i molekylerne, men i hvor godt molekylerne holder fast i hinanden.
Bindinger i molekylet og mellem molekylerne
Inde i et molekyle holdes atomerne sammen af elektronparbindinger. De er meget stærke. Mellem molekylerne virker der nogle meget svagere kræfter. De kaldes intermolekylære bindinger. Ordet inter betyder mellem.
Når et stof koger, er det de intermolekylære bindinger, der bliver brudt. Molekylerne slipper hinanden og flyver væk som en gas, men hvert molekyle er stadig helt. Derfor gælder:
Jo stærkere de intermolekylære bindinger er, jo højere er smeltepunktet og kogepunktet.
Der er tre slags intermolekylære bindinger. Her kommer de fra den svageste til den stærkeste.
Londonbindinger
Elektronerne i et molekyle er hele tiden i bevægelse. Et øjeblik kan der være lidt flere elektroner i den ene ende af molekylet end i den anden. Så har molekylet en midlertidig dipol: en ende, der er lidt negativ, og en ende, der er lidt positiv. Dipolen påvirker elektronerne i nabomolekylet, og de to molekyler tiltrækker hinanden. Det kaldes en londonbinding.
Londonbindinger findes mellem alle molekyler. I upolære stoffer som alkanerne er de den eneste slags. To ting gør dem stærkere:
- Store molekyler har mange elektroner og dermed stærkere londonbindinger. Det er grunden til, at kogepunktet stiger med kædens længde, som du så i afsnit 6.1 i bogen til C-niveau.
- Lange, lige molekyler kan lægge sig tæt op ad hinanden. De har en stor kontaktflade. Et forgrenet molekyle er mere kugleformet og rører kun naboerne et lille sted.
Dipol-dipolbindinger
I en polær binding trækker det ene atom mest i elektronerne. Det får en lille negativ ladning, δ−, og det andet atom får en lille positiv ladning, δ+. Det lærte du i afsnit 3.3 i bogen til C-niveau. Et polært molekyle har derfor en permanent dipol. Den er der hele tiden.
Polære molekyler vender sig, så den negative ende af ét molekyle ligger ved den positive ende af det næste. Tiltrækningen kaldes en dipol-dipolbinding.
Bindingen C=O er meget polær. Aldehyder, ketoner og estere har derfor dipol-dipolbindinger ud over londonbindingerne.
Hydrogenbindinger
Den stærkeste intermolekylære binding hedder en hydrogenbinding. Den opstår, når et hydrogenatom sidder på et oxygenatom eller et nitrogenatom. Oxygen og nitrogen trækker så hårdt i elektronerne, at hydrogenatomet bliver tydeligt positivt. Det bliver tiltrukket af et oxygenatom eller et nitrogenatom i nabomolekylet.
Et stof kan danne hydrogenbindinger mellem sine egne molekyler, når det har gruppen O−H eller N−H. Et hydrogenatom, der sidder på carbon, danner ikke hydrogenbindinger.
Alkoholer, carboxylsyrer og de fleste aminer har O−H eller N−H og danner hydrogenbindinger. Det gør vand også. Aldehyder, ketoner og estere har et oxygenatom, men intet hydrogenatom på det. De kan ikke danne hydrogenbindinger med hinanden. De kan dog tage imod en hydrogenbinding fra vand, og det får betydning for opløseligheden, som du ser i afsnit B4.3.
Hvilke bindinger har stoffet?
| Stofklasse | Londonbindinger | Dipol-dipolbindinger | Hydrogenbindinger |
|---|---|---|---|
| Alkaner, alkener og alkyner | ja | nej | nej |
| Aldehyder, ketoner og estere | ja | ja | nej |
| Alkoholer, carboxylsyrer og aminer | ja | ja | ja |
Alle stoffer har londonbindinger. Tabellen viser, hvad der kommer oven i.
Kogepunktet afslører bindingerne
De fem stoffer i figuren har næsten samme molarmasse. Londonbindingerne er derfor omtrent lige stærke, og forskellen i kogepunkt skyldes de andre bindinger.
Butan har kun londonbindinger og koger allerede ved −1 °C. Propanal og propanon har også dipol-dipolbindinger, og kogepunktet ligger omkring 50 °C. Propan-1-ol og ethansyre danner hydrogenbindinger og koger ved omkring 100 °C.
Når du skal sammenligne to stoffers kogepunkter, så spørg i denne rækkefølge:
- Kan det ene stof danne hydrogenbindinger og det andet ikke?
- Er det ene stof polært og det andet upolært?
- Hvis de har samme slags bindinger: Hvilket molekyle er størst, og hvilket er mindst forgrenet?
Opløselighed i vand
Vandmolekyler holder sammen med hydrogenbindinger. Et stof kan kun opløses i vand, hvis det kan gå ind i det netværk. En gruppe, der kan danne hydrogenbindinger til vand, kaldes hydrofil. Det betyder vandelskende. Carbonkæden kan kun danne londonbindinger. Den kaldes hydrofob, som betyder vandskyende.
| Alkohol | Carbonatomer | Opløselighed i vand ved 20 °C |
|---|---|---|
| ethanol | 2 | blandes med vand i alle forhold |
| propan-1-ol | 3 | blandes med vand i alle forhold |
| butan-1-ol | 4 | omkring 80 g pr. liter |
| pentan-1-ol | 5 | omkring 22 g pr. liter |
| hexan-1-ol | 6 | omkring 6 g pr. liter |
Det passer med tommelfingerreglen fra afsnit 3.3 i bogen til C-niveau: én polær gruppe kan trække omkring fire carbonatomer med ned i vandet. Nu kender du forklaringen. Jo længere den hydrofobe kæde er, jo flere hydrogenbindinger mellem vandmolekylerne skal der brydes for at få plads til den.
Upolære stoffer opløses i stedet i andre upolære stoffer, hvor der kun er londonbindinger. Reglen fra afsnit 3.4 i bogen til C-niveau gælder stadig: Stoffer, der ligner hinanden, blandes med hinanden. Det kaldes også lige opløser lige.
Prøv selv: Intermolekylære bindinger: kog ethanol, og se bindingerne brydes.