Oddziaływania międzycząsteczkowe w ciałach stałych, cieczach i gazach

Stan skupienia materii w warunkach zbliżonych do warunków normalnych, czyli w warunkach, z którymi najczęściej mamy do czynienia, zależy głównie od masy elementów tworzących daną materię. Elementy o masie poniżej 80 daltonów występują w tych warunkach przeważnie w stanie gazowym, elementy o masie około 80-200 daltonów tworzą najczęściej ciecze, a powyżej 200 daltonów ciała stałe. Granice te należy traktować raczej jako szacunkowe określenie rzędu wielkości niż jako konkretne wartości. Należy przy tym pamiętać, że stan skupienia zależy między innymi od masy cząsteczkowej, nie jest to jednak czynnik jedyny. 

Jeżeli cząsteczki (w rozumieniu pojedynczych, samodzielnych skupisk masy, niekoniecznie będących cząsteczkami w rozumieniu chemicznym) mają  masę na tyle małą, że ich energia translacji (ruchu postępowego) w danych warunkach jest zdolna przezwyciężyć wszelkie oddziaływania międzycząsteczkowe (siły van der Waalsa) oraz siły grawitacji, to cząsteczki te starają się zgodnie z zasadą rosnącej entropii rozprzestrzenić się na całą możliwą do zajęcia objętość. Mamy wówczas do czynienia  z gazem.

Jeśli energia translacji nie jest zdolna przezwyciężyć sił spójności, cząsteczki stanowią zbiór tylko częściowo niezależnych elementów. Siła grawitacji powoduje, że nie są zdolne (przynajmniej w przeważającej ich części) do rozprzestrzeniania się poza zasięg oddziaływania sił międzycząsteczkowych, stąd wypełniają naczynie nie w całej jego objętości, ale tak by osiągnąć minimum energii potencjalnej. Ponieważ siły wiążące cząsteczki są na tyle jednak słabe, że pozwalają przemieszczać się cząsteczkom względem siebie, ciecz nie posiada swojego kształtu a wypełnia kształt naczynia.

Ciała stałe, a więc takie które mają własny kształt, możemy podzielić na dwie grupy o różnych właściwościach i strukturze: ciała krystaliczne i bezpostaciowe. Te pierwsze charakteryzują się budową cząsteczek pozwalającą na tworzenie (poprzez silne oddziaływania międzycząsteczkowe)  przestrzennych struktur o uporządkowanej, modułowej budowie - kryształów. Ciała bezpostaciowe tworzą nieregularne struktury i można je raczej pod tym względem zaliczyć do  cieczy o bardzo dużej lepkości. Pod wpływem temperatury nie topią się w stałej temperaturze jak kryształy tylko powoli miękną, przechodząc przez formy plastyczne w ciecz.

Jak zwykle należy przypomnieć, że i ten podział, jak wiele innych, nie obejmuje precyzyjnie wszystkich przypadków występujących w przyrodzie (patrz ciecze w stanie nadkrytycznym, ciekłe kryształy, ...), i jak zwykle ma służyć tylko ogólnemu rozróżnieniu stanów skupienia w celu łatwiejszego uogólniania pewnych reguł występujących w naturze.

"rzeczywista" masa cząsteczkowa	Stan
do około 70 D	gaz		ciecz w stanie nadkrytycznym
około 70 – 150 D	ciecz
Powyżej 150 D	ciało stałe	krystaliczne	ciekłe kryształy kryształy molekularne kryształy kowalencyjne  kryształy jonowe
		bezpostaciowe

W tabeli poniżej na kilku przykładach można prześledzić, jak stan skupienia (różowe tło - ciała stałe, niebieskie tło - ciecze, zielone - gazy) potrafi być w sprzeczności z formalną masą cząsteczkową i jak substancje o prawie identycznych masach cząsteczkowych różnią się stanami skupienia. Najbardziej spektakularnym przykładem jest metan (16), amoniak (17) i woda (18). Związki te, o niemal identycznej masie cząsteczkowej, zgodnie z regułą - masa a stan skupienia, powinny być gazami, skąd zatem postać wody? Odpowiedź znajduje się na schemacie poniżej. Tam też odpowiedź, dlaczego ester kwasu benzoesowego, o masie przecież większej niż sam kwas, jest cieczą, skoro kwas jest ciałem stałym. 

związek	wzór	m. cz.	lotność		związek	wzór	m. cz.	lotność
metan	CH4	16			woda	H2O	18	+
amoniak	NH3	17
tlenek węgla(II)	CO	28			wodorotlenek litu	LiOH	24
ditlenek węgla	CO2	44			etanol	C2H5OH	46	++
chlor	Cl2	71			aceton	(CH3)2C=O	58	++ +
eter	(C2H5)2O	74	+++
toluen	C6H5CH3	92	+		fenol	C6H5OH	94	-
heksan	C6H14	86	++		anilina	C6H5NH2	93	-
chloroform	CHCl3	119	+++		kwas benzoesowy	C6H5COOH	122
salicylan metylu	C6H5(OH) COOCH3	152	-		kwas salicylowy	C6H5(OH) COOH	138
undekan	C11H24	156			tetrachlorek węgla	CCl4	154	+++

W cząsteczce wody atom tlenu dość silnie ściąga parę elektronów wiązań O—H w kierunku tlenu, powodując powstanie na atomach wodoru cząstkowych ładunków dodatnich. Cząsteczki wody, ze względu na powstały tym sposobem duży moment dipolowy, tworzą od sześcio- do ośmiocząsteczkowe agregaty, łącząc się wiązaniami wodorowymi. Amoniak tworzy dipole o mniejszym momencie dipolowym (mniejsza różnica elektroujemności N—H) i wiązania wodorowe tu nie są w stanie tworzyć tak trwałych połączeń jak w przypadku wody. Te międzycząsteczkowe  wiązania wodorowe w przypadku wody są przyczyną wielu jej zaskakujących właściwości.

Także w przypadku wielu kwasów organicznych (jak w poniższym przykładzie) ze względu na bardzo silne wiązania wodorowe między grupami karboksylowymi, kwas występuje w postaci ciała stałego ("rzeczywista" masa dwa razy większa od nominalnej), choć ester metylowy jest najczęściej cieczą (brak wiązań wodorowych na skutek zablokowania karboksylu i masa cząsteczkowa nominalna i rzeczywista są identyczne).