Вандерваальсовы силы: ориентационная, индукционная и дисперсионная составляющие. Полная энергия межмолекулярного взаимодействия

 

Молекула - химически устойчивое и электрически нейтральное образование. Однако химическая устойчивость отдельной молекулы относительна и проявляется на расстояниях, значительно превышающих размеры самой молекулы.

Уже на расстоянии порядка 1нм между молекулами возникают силы притяжения (вандерваальсовы силы). При этом их электронные облака не перекрываются, химическая связь не образуется. На расстояниях значительно меньших, чем 1нм возможны перекрывания электронных облаков с образованием новых молекул. Возникающие при этом связи могут иметь различную прочность. Относительно малую прочность имеют водородные связи; более высокую прочность имеют химические связи между молекулами, образованными по донорно-акцепторному механизму.

Слабое взаимодействие между нейтральными молекулами на расстояниях, значительно превосходящих их размеры, было впервые экспериментально обнаружено голландским ученым Ван-дер-Ваальсом. Этим силам приписывают электростатическую природу и обычно выделяют три их составляющие: ориентационную, индукционную и дисперсионную.

Ориентированная (диполь-дипольная) составляющая представляет собой электростатическое взаимодействие соответствующим образом ориентированных диполей, т. е. полярных молекул. Энергия ориентационного взаимодействия возрастает с увеличением электрического момента диполя молекулы и уменьшается с ростом температуры, т.к. тепловое движение молекул нарушает ориентацию диполей и соответственно снижает энергию их взаимодействия.

Эта составляющая сил Ван-дер-Ваальса проявляется только в системе, состоящей из полярных молекул.

Индукционная составляющая проявляется в системах, состоящих из полярных и неполярных молекул. Под действием электрического поля полярной молекулы в неполярной молекуле происходит наведение (индукция) электрического поля, т.е. неполярная молекула поляризуется под действием электрического поля полярной молекулы. Энергия индукционного взаимодействия будет возрастать с ростом электрического момента диполя полярной молекулы, но не будет зависеть от температуры, поскольку наведение диполя в неполярной молекуле определяется суммарным электрическим полем полярных молекул, окружающих данную, т.е. наведение диполя в неполярной молекуле происходит при любой пространственной ориентации молекул.

Межмолекулярное взаимодействие не исчерпывается ориентационной и индукционной составляющими. Известно большое количество таких веществ, как благородные (Не, Ne, Ar и т.д.) или простые (О₂, Н₂, , N₂ и т.д.) газы, молекулы которых одноатомны или неполярны соответственно, но которые могут быть получены в конденсированном состоянии.

Возникновение взаимодействия между подобными молекулами было впервые объяснено немецким ученым Ф. Лондоном (модель Лондона). Он показал, что электростатическое отталкивание между электронами двух каких-либо атомов или молекул снижается, если движение электронов в них происходит таким образом, что электроны все время оказываются максимально удаленными друг от друга. При таком согласованном движении электронов каждый из атомов представляет собой " мгновенный" диполь, положительный полюс которого расположен в ядре атома, а отрицательный - в точке нахождения электрона. При таком согласованном движении электронов " мгновенные" диполи ориентируются разноименно заряженными концами, в результате чего происходит их электростатическое притяжение.

Модель Лондона позволила определить среднюю статистическую величину всех подобных взаимодействий, получившую название дисперсионной составляющей сил Ваи-дер-Baaльca, которая действует между любыми атомами или молекулами независимо от их строения.

Энергия дисперсионной составляющей будет возрастать с увеличением эффективного радиуса взаимодействующих атомов или молекул, поскольку при этом растет величина поляризуемости атомов или молекул.

Все составляющие вандерваальсовых сил обратно пропорциональны расстоянию в шестой степени между взаимодействующими молекулами. На малых расстояниях между молекулами, когда электростатическое отталкивание ядер и электронов превалирует над электростатическим притяжением, проявляется действие сил отталкивания. На существование сил отталкивания указывает малая сжимаемость жидкостей и твердых тел. Лондон установил, что силы отталкивания обратно пропорциональны расстоянию между молекулами в двенадцатой степени.

Таким образом, полная энергия межмолекулярного взаимодействия может быть представлена в виде алгебраической суммы двух слагаемых

, (6)

 

где а и b - константы, характеризующие энергию притяжения и отталкивания соответственно.

Вандерваальсовому взаимодействию свойственна невысокая энергия, соизмеримая с энергией теплового движения молекул, т. е. она примерно на порядок ниже, чем энергия химической связи. Эти силы отличаются от ковалентных сил отсутствием направленности и насыщаемости, и проявляются они на значительных расстояниях.

 

Водородная связь

Промежуточный характер между межмолекулярным взаимодействием и ковалентной связью имеет водородная связь. Она возникает между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом с большей электроотрицательностью другой молекулы. Положительно поляризованный атом водорода обладает уникальными свойствами: очень малым размером и отсутствием внутренних электронных слоев, поэтому он может легко проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. В результате между двумя молекулами возникает взаимодействие, которое носит мектростатический и частично донорно-акцепторный характер.

Водородная связь условно записывается в виде трех точек и изображается так:

 

Х – Н... Y,

 

где Х, Y – атомы F, О, N, Cl, S.

Энергия и длина водородной связи определяется электрическим моментом диполя связи Х-Н и размерами атома Y. Длина водородной связи уменьшается, а энергия возрастает с увеличением разности электроотрицательностей атомов Х и Y (и соответственно электрического момента диполя связи Х-Н) и с уменьшением размера атома Y.

Важную роль водородная связь играет в процессах кристаллизации и растворения веществ, а также при образовании кристаллогидратов.

ЛЕКЦИЯ 5

Строение кристаллов.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: