3. Типы межмолекулярных связей

Силы межмолекулярного притяжения пластин убывают с ростом расстояния менее резко (1/r³), чем силы притяжения отдельных молекул (1/r⁷), что объясняется коллективностью взаимодействия одновременно многих молекул, составляющих конденсированные тела.

Н.В. Чураев

Межмолекулярные связи осуществляются за счет т.н. сил Ван-дер-Ваальса, которые подразделяются на ориентационные (силы Кеезоме), индукционные (силы Дебая) и дисперсионные (силы Лондона).

Ориентационные взаимодействия осуществляются между полярными молекулами, например, между молекулами хлороводорода. Особое место среди ориентационных взаимодействий занимают водородные связи, которые по энергии приближаются к ХС (см. главу 1.1).

Индукционные силы проявляются при взаимодействии между полярной молекулой (диполем) и неполярной; при этом постоянный диполь (например, молекула воды) индуцирует, т.е. наводит диполь на неполярную молекулу (в частности, так поляризуется Cl₂ в хлорной воде).

Дисперсионные⁵¹ взаимодействия осуществляются между молекулами за счет резонансного (согласованного) возникновения мгновенных диполей в результате флуктуаций (смещений) электронной плотности относительно ядер и поэтому имеют место при взаимодействии любых молекул. Однако, связь между неполярными молекулами возможна только за счет дисперсионных взаимодействий.

Очевидно, последние будут тем прочнее, чем слабее удерживаются внешние электроны в атомах, т.к. тогда возможны большие смещения электронной плотности внешних орбиталей относительно ядер и, следовательно, больше будет величина мгновенных диполей.

Независимо от типа межмолекулярных взаимодействий (ММВ) их энергия тем выше, чем многоатомнее молекулы, т.к. при этом не только растет их масса, но и увеличивается число контактов, посредством которых осуществляются ММВ.

Вопросы к семинару

1. Определение химической связи, с помощью каких параметров ее характеризуют?

2. Как меняется энергия системы при сближении двух атомов, имеющих неспаренные электроны с параллельными спинами? с антипараллельными спинами? Почему в последнем случае возрастание сил притяжения не компенсируется возрастанием сил отталкивания?

3. Приведите доказательства того, что причиной образования химической связи является не стремление атомов к спариванию электронов. (А что является основной причиной?) Какие факты указывают на то, что орбитали атомов при образовании химической связи перекрываются.

4. Будет ли происходить термическая ионизация атомов водорода при температуре начала атомизации его молекул, если E_H−H = 434,63 кДж/моль, а энергия ионизации и сродства к электрону для атома водорода равны 13,6 и 0,75 эВ, соответственно?

5. Что такое длина связи? Одинакова ли длина и прочность связи O − H в молекуле пара, воды в жидком состоянии и во льду? Почему?

6. Масса кристалла поваренной соли (куб с длиной ребра 2,4 см) равна 29,2506 г, оцените длину связи Na − Cl.

7. В случае какого вещества больше устойчивость к гомолитическому разрыву (к гетеролитическому разрыву): H₂O или H₂F₂ ? HCl или HBr? Почему?

8. Рассудите, была бы молекула HCl диполем, если бы электроотрицательности H и Cl были бы одинаковы. Почему в бинарных соединениях элементов в высшей степени окисления связи не ионные?

9. Покажите на конкретных примерах взаимосвязь и различие понятий: полярность и поляризуемость связи, эффективный заряд и степень окисления.

10. Как меняется поляризуемость и поляризующее действие частиц при переходе: а) от Be²⁺ к Ba²⁺,

б) от F ⁻ к O⁻² ?

11. Почему различна термическая устойчивость карбоната кальция (устойчив лишь ниже 817⁰С) и карбоната натрия (при 894⁰С плавится без разложения)?

12. Почему в НСN энергия связи между атомами углерода и азота меньше (а длина?), чем в КСN?

13. Что общего и в чем различие между связями: ионной и ковалентной? ионной и металлической? ковалентной и металлической? ковалентной и водородной? водородной и межмолекулярной? межмолекулярной и ионной?

14. Типы кристаллических решеток. Как объяснить хрупкость веществ с ковалентной и ионной решеткой и пластичность – с металлической?

15. Чем определяется энергия ориентационных, индукционных и дисперсионных взаимодействий? Почему в энергию межмолекулярных взаимодействий в случае воды больше вклад ориентационных взаимодействий, а в случае хлорида водорода – дисперсионных? Можно ли идеальный газ использовать как рабочее вещество холодильника? Обосновать ответ.

16. Объяснить разные значения температур кипения следующих веществ:

Вещество	N2	O2	O3	F2	Cl2	S
Т. кип., °С	-196	-183	-112	-188	-34	444,6

17. Почему растворимость CO₂ в воде в 15 раз выше, чем O₂ (при одинаковых парциальных давлениях), хотя молекулы обоих газов неполярны?

18. Какие типы связей имеют место в кристаллической решетке следующих веществ: графит, Не, CH₄ , SiO₂ , Cr, H₂ , BeCl₂ , CaCl₂ , H₂F₂ , - и как это сказывается на их свойствах?