Oddziaływania międzycząsteczkowe

Obok silnych wiązań chemicznych, wiążących atomy w cząsteczkę, istnieją 

oddziaływania między atomami należącymi do sąsiadujących cząsteczek oraz słabe wiązania wewnątrzcząsteczkowe między atomami w cząsteczkach biopolimerów, które decydują o ich strukturze przestrzennej.
Oddziaływania dipol–dipol występują między polarnymi cząsteczkami (jednakowymi lub różnymi), które przyciągają się wzajemnie różnoimiennymi biegunami.
Wiązania wodorowe powstają wtedy, gdy atom wodoru znajduje się między atomami o dużym powinowactwie do elektronów. Wiązanie to polega na elektrostatycznym przyciąganiu się cząsteczek polarnych (dipoli) oraz oddziaywaniu między chmurami elektronowymi wodoru i silnie elektroujemnego atomu mającego wolną parę elektronową. Wiązania wodorowe występują w wodzie w stanie ciekłymi stałym oraz w wielu innych substancjach. Mogą występować między różnymi częściami jednej dużej cząsteczki, stabilizującj ej strukturę (np. w kwasach nukleinowych, białkach).
Siły van der Waalsa zachodzą między blisko położonymi grupami chemicznymi i wpływają na stabilizację cząsteczki, a także na stan skupienia substancji, rozpuszczalność, proces dyfuzji. Są to oddziaływania między niepolarnymi cząsteczkami lub atomami, powstające w wyniku deformacji ich chmur elektronowych.
Oddziaływania hydrofobowe polegają na łączeniu się grup hydrofobowych w celu ochrony przed oddziaływaniem na nie cząsteczek wody.
Mostki disiarczkowe (–S–S–) są przykładem wiązań kowalencyjnych między dwiema grupami –SH pochodzącymi z zawierającego siarkę aminokwasu cysteiny, co ma wpływ na utrzymanie struktury przestrzennej białek, a w konsekwencji decyduje o aktywności enzymów lub wpływa na właściwości mechaniczne białek, np. keratyny.

Oddziaływania międzycząsteczkowe odgrywają istotne znaczenie w przyrodzie ożywionej:Warunkują m.in.:
– właściwości wody,
– unikatową strukturę makrocząsteczek białek i kwasów nukleinowych,
– pełnienie przez białka funkcji enzymów (interakcje w centrum aktywnym enzymu),
– tworzenie zespołów makrocząsteczek, np. podczas syntezy białka

Gaz

Stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne łatwo zmienia kształt i zajmuje całą dostępną mu przestrzeń. Właściwości te wynikają z własności cząsteczek, które w fazie gazowej mają pełną swobodę ruchu. Wszystkie one cały czas przemieszczają się w przestrzeni zajmowanej przez gaz i nigdy nie zatrzymują się w jednym miejscu. Między cząsteczkami nie występują żadne oddziaływania daleko zasięgowe, a jeśli, to bardzo słabe. Jedyny sposób, w jaki cząsteczki na siebie oddziałują, to zderzenia. Oprócz tego, jeśli gaz jest zamknięty w naczyniu, to jego cząsteczki stale zderzają się ze ściankami tego naczynia, wywierając na nie określone i stałe ciśnienie.

Cząsteczki gazu przemieszczają się z różną szybkością, a rozkład tych szybkości ma charakter całkowicie statystyczny. Średnia szybkość poruszania się cząsteczek w gazie jest zależna wyłącznie od ich masy molowej i temperatury. Podczas obniżania temperatury gazu maleje średnia szybkość cząsteczek, zaś zwiększanie ciśnienia powoduje zmniejszenie średniej odległości między nimi. Obniżanie temperatury lub zwiększanie ciśnienia prowadzi w końcu do skroplenia lub resublimacji gazu. Zamiana gazu w ciecz lub ciało stałe wynika z faktu, że w pewnym momencie energia oddziaływań międzycząsteczkowych  staje się większa od energii kinetycznej cieplnego ruchu cząsteczek.

Ciecz

Ciało, które ma określoną objętość, a nie ma określonej postaci; stan ciekły jest jednym ze stanów skupienia materii. Własności cieczy są zależne od temperatury; w niższych temp., bliskich krzepnięcia, ciecz wyraźniej upodabnia się do ciał stałych (krystalicznych), a w wyższych temperaturach — do ciał gazowych. Ciecz różni się od gazów głównie tym, że jej cząsteczki (drobiny) silnie oddziałują wzajemnie na siebie za pośrednictwem sił - Van der Waalsa; wskutek tego przeprowadzenie dowolnej cząsteczki z wnętrza cieczy na jej powierzchnię (zwiększenie powierzchni) wymaga wykonania pracy, czego wyrazem jest napięcie powierzchniowe cieczy. Podobieństwo cieczy do stałych kryształów wynika m.in. stąd, że atomy lub cząsteczki cieczy są uporządkowane w małych obszarach i, wg teorii (1925) radź. Fizyka J.I. Frenkla, wykonują drgania dokoła swych położeń równowagi; cząsteczki te przechodzą jednak od jednego położenia równowagi do drugiego znacznie łatwiej niż w kryształach. Własności cieczy w normalnych warunkach są na ogół izotropowe (nie zależą od kierunku); nieliczne ciecze których pewne własności fizyczne są trwale anizotropowe ,zw. są ciekłymi kryształami; reprezentują one pośredni stan skupienia między cieczą a ciałem stałym.

Ciało stałe

Ciało wyróżniające się uporządkowanym układem atomów (cząsteczek), które tworzą trwałą strukturę, zwaną siecią krystaliczną; uporządkowanie polega na periodycznym powtarzaniu się w trzech kierunkach układu współrzędnych podstawowego modelu przestrzennego, zw. komórką elementarną kryształu. Nie jest płynne, czyli nie może samoistnie zmieniać swoich kształtów i rozmiaru po np. wlaniu do naczynia. Ciało stałe jest pojęciem mało precyzyjnym i mogą w nim występować w rzeczywistości różne stany skupienia materii zwane bardziej precyzyjnie fazami fizycznymi.

W ciałach stałych mogą występować aż 4 różne fazy:

    * faza krystaliczna

    * kryształy plastyczne

    * kryształy condis

    * faza amorficzna

W wielu substancjach, jak np. w tworzywach sztucznych lub w metalach często zdarza się, że w stanie stałym występują na raz dwie fazy, np. krystaliczna i amorficzna, tworząc złożoną mikrostrukturę, decydującą o własnościach mechanicznych całego materiału.

Niektóre ciała na pozór stałe są w rzeczywistości przechłodzonymi cieczami, co nazywa się fazą szklistą. Jej przykładem jest szkło - ciecz o tak wielkiej lepkości, że praktycznie nie płynie.

Mieszanie się substancji

Mieszanie się dwóch substancji polega na tym, że cząsteczki pierwszej wchodzą w puste przestrzenie między cząsteczkami drugiej substancji.

Ciało stałe w cieczy i ciecz w ciele stałym:

Cząsteczki cieczy przemieszczają się w środek cząsteczek ciała stałego, a cząsteczki ciała stałego za pomocą dyfuzji i ruchów koloidowych przemieszczają się w ciecz.

Jeśli włożymy mydło do wody i poczekamy 3-4 minut to zauważymy, że woda zmętnieje i powstanie z niej emulsja. Dzieje się tak, ponieważ mydło(ciało stałe) rozpuszcza się w wodzie(cieczy). Możemy się z tym spotkać w życiu codziennym myjąc ręce. Także, kiedy parzymy sobie herbatę i sypiemy do niej cukru. Cukier rozpuszcza się i powstaje roztwór. Wiadomo, że morza i oceany mają słoną wodę. Dzieje się tak, ponieważ na dnie występuje sól kamienna. Jeżeli wsypiemy żelatynę w wodzie to rozpuszcza się samorzutnie w ośrodku.

Tak samo, jeśli dodamy do wody skrobi ziemniaczanej t o po chwili nabierze ona fioletowej barwy tak samo w przypadku atramentu. Wypełnianie pustych miejsc przez cząsteczki ciecz w ciele stałym możemy zaobserwować, jeśli pomoczymy dwa szkiełka i połączmy je razem to zauważymy, że nie chcą się rozdzielić.

Ciecz w cieczy:

Cząsteczki cieczy za sprawą ruchów koloidowych i dyfuzji mieszają się ze sobą.

Najbardziej popularną cieczą używaną do roztworów jest woda. Dzisiejsze produkty taki jak ocet, jodyna, woda utleniona czy śmietana są rozpuszczane wodą.

Wiadomo, że czasami soki są bardzo gęste i trzeba je mieszać z wodą mineralną, dlatego jeśli zmieszamy je ze sobą to powstanie nam mieszanina. Także, jeśli zmieszamy wodę z mlekiem to powstanie nam emulsja, w której po spożyciu nie będziemy czuli smaku mleka. Są to roztwory ciekłe, czyli gazy, ciecze, ciała stałe rozpuszczone w ciekłym rozpuszczalniku.

Ciało stałe w ciele stałym:

Cząsteczki ciał stałych mieszają się ze sobą za pomocą dyfuzji, dlatego muszą do siebie przylegać, ponieważ cząsteczki ciał stałych słabo się przyciągają.

Wiadomo, że roztworami ciała stałego i ciała stałego są stop srebra, złota i innych kruszców.

Pewien fizyk kiedyś położył na sobie sztabkę złota i ołowiu ku jego zdziwieni po paru tygodniach próbował rozłączyć te dwie sztabki, ale nie udało mu się. W pomieszczeniu, którym trzymano je było bardzo ciepło. Po kilkunastu tygodniach można było zauważyć małe cząsteczki ołowiu w złocie a złota w ołowiu.

Roztwory stałe są kryształami mieszanymi substancji chemicznych.

Ciała stałego w gazie oraz gazu w ciele stałym:

Cząsteczki gazu znajdujące się w pobliżu mieszają się z cząsteczkami ciała stałego za sprawą dyfuzji i ruchów Browna. Ten roztwór możemy zauważyć, jeśli na przykład, jeśli konsumujemy ser żółty, w którym występują puste przestrzenie dzieje się tak, ponieważ kiedy jest on sporządzany w mleku są cząsteczki gazu, które wypełniają wolne miejsca i skupiają się tam gdzie jest ich najwięcej. Także zauważamy ten przypadek w pumeksie. Jeśli wybierzemy się na spacer i będziemy iść za ludźmi, którzy biegną to zobaczymy kurz w powietrzu, który powoduje kichanie.

W zimie, kiedy jest zimno ludzie palą w piecach, dym unoszący się nad powietrzu jest ciałem stałym w cieczy.

Ciecz w gazie i gaz w cieczy:

Cząsteczki cieczy wnikają w gaz i mieszają się z nimi za pomocą dyfuzji i parowania, a cząstki gazu do cieczy za pomocą dyfuzji.

Dziś możemy się spotkać z tym roztworem w aerozolach odświeżających powietrze lub kosmetykach. W puszkach gzie są one przechowywane jest wysokie ciśnienie, które wypycha ten roztwór na zewnątrz wtedy możemy go dostrzec ciecz, która jest zawarta w tym gazie.

W okresie wiosny i lata zawsze z rana i późno w nocy zauważamy mgłę, która powoduje wypadki na drogach. Jest to roztwór wody i powietrza.

Wiadomo, że woda paruje, dlatego właśnie mamy chmury. Ich cały skład to prawie woda.

Gaz w gazie:

Cząsteczki gazu mieszają się z cząsteczkami drugiego.

Wiadomo, że powietrze to roztwór gazowy składający się z tlenu, azotu i innych gazów. Jest niewidoczne, ponieważ gazów, które zawiera nie można dostrzec okiem. Roztworem gazowym jest także propan-butan, który jest używany jako gaz palny.