Межмолекулярные взаимодействия
Межмолекулярным взаимодействием называется взаимодействие между молекулами, не сопровождающееся дополнительным обобществлением электронной плотности, т.е. образованием, новых связей. Молекулярное взаимодействие определяет отличие реальных газов от идеальных, существование жидкостей и молекулярных кристаллов. Понятие о межмолекулярном взаимодействии впервые было введено голландским ученым Й.Д.Ван-дер-Ваальсом. Существуют три типа межмолекулярного взаимодйствия.
Диполь-дипольное (ориентационное) взаимодействие. При сближении двух полярных молекул они ориентируются так, чтобы энергия системы была минимальной. Этому условию отвечает ориентация, при которой положительный конец одной молекулы соседствует с отрицательным концом другой молекулы.
Индукционное взаимодействие – взаимодействие диполь- индуцированный диполь. Присутствие полярной молекулы вблизи другой, которая может быть неполярной, оказывает на вторую молекулу поляризующее действие и вызывает появление в ней индуцированного дипольного момента. Индуцированный дипольный момент имеет то же направление, что и постоянный. Взаимодействие постоянного диполя одной молекулы с наведенным диполем второй понижает энергию системы на величину, называемую энергией индукционного взаимодействия.
Дисперсионное взаимодействие. Этот вид взаимодействия имеет место между неполярными молекулами. В чистом виде дисперсионное взаимодействие проявляется у благородных газов, которые при понижении температуры сжижаются. В неполярных молекулах распределение электронной плотности симметрично и дипольный момент отсутствует, электронные облака постоянно колеблются относительно ядер, образуя временные или мгновенные диполи. Мгновенный диполь одной молекулы А поляризует другую молекулу В и вызывает появление в ней индуцированного диполя. Обе молекулы будут иметь дипольные моменты, направленные в одну сторону, и притягиваться друг к другу. В следующий момент диполь в молекуле А может быть направлен в противоположную сторону. И снова наведенный в молекуле В диполь станет таким, что между молекулами возникнет притяжение. Дипольные моменты возникают лишь на мгновение, но суммарный эффект их взаимодействия – это постоянно действующие силы притяжения. В результате дисперсионного взаимодействия энергия системы понижается. Особенностью дисперсионного взаимодействия является его всеобщность, так как во всех молекулах полярных и неполярных есть движущиеся электроны.
Водородная связь
Помимо универсального Ван-дер-ваальсова взаимодействия между молекулами может возникать водородная связь. Водородная связь является специфическим межмолекулярным взаимодействием. Водородная связь возникает между молекулами, в которых атом водорода связан с атомом элемента, обладающего высокой электроотрицательностью. Возникновение водородной связи обусловлено двумя причинами:
Атом водорода, связанный полярной ковалентной связью с атомом Х, фактически не имеет электронов и способен легко внедряться в электронные облака других частиц.
Обладая вакантной s-орбиталью атом водорода может принимать неподеленную электронную пару атома Y, образуя с ним донорно-акцепторную связь.
Определенный вклад в образование водородной связи вносит электростатическое взаимодействие между положительно поляризованным атомом водорода в молекуле Н-Х и отрицательно поляризованным атомом Y в другой молекуле. Чаще всего водородная связь образуется с участием атомов таких элементов, как кислород, фтор, азот. Наиболее типичный пример соединения с водородными связями – вода. В жидком состоянии вода находится в виде ассоциатов (Н2О)n, а в кристаллах льда каждый атом кислорода образует по две водородные связи, что определяет его тетраэдрическое окружение:
Эта межмолекулярная связь обусловливает образование пространственной структуры большого числа частиц. Водородная связь существенно влияет на свойства веществ. Так, при ее наличии повышаются температура кипения, теплоты испарения и плавления, молекулы веществ в жидком состоянии становятся ассоциированными.