3.3. Міжмолекулярні взаємодії

Міжмолекулярною взаємодією називається взаємодія між молекулами, що не супроводжується додатковим усуспільненням електронної густини, тобто утворенням нових зв'язків. Молекулярна взаємодія визначає відмінність реальних газів від ідеальних, існування рідин і молекулярних кристалів. Поняття про міжмолекулярну взаємодію вперше було введено голандським ученим И. Д. Ван-дер-Ваальсом, тому сили міжмолекулярної взаємодії часто називають ван-дер-ваальсовими.

Види міжмолекулярної взаємодії

Основу міжмолекулярної взаємодії складають кулоновські сили, що виникають між електронами і ядрами молекул. Взаємодія залежить від відстані між молекулами r, їхньої взаємної орієнтації, будови та електричних властивостей (дипольного моменту, поляризовності та ін.). При досить високих r, значно переважаючих розміри молекул, можна виділити три типи взаємодії.

Диполь-днпольна (орієнтована) взаємодія виникає при зближенні двох полярних молекул. При цьому вони орієнтуються так, щоб енергія системи була мінімальною. Цій умові відповідає орієнтація, при якій позитивний кінець однієї молекули знаходиться біля негативного кінця іншої молекули. У газах і рідинах орієнтації полярних молекул перешкоджає тепловий рух.

Присутність полярної молекули поблизу іншої, яка може бути полярною чи неполярною, чинить на другу молекулу поляризуючу дію і викликає появу в ній індукованого дипольного моменту, тобто виникає індукована взаємодія. Індукований дипольний момент має той же напрямок, що і постійний. Взаємодія постійного диполя однієї молекули з наведеним диполем другої знижує енергію системи. Індукційна взаємодія не залежить від температури, тому що орієнтація наведеного диполя визначається тільки напрямком постійного диполя.

Дисперсійна взаємодія (ефект Лондона) має місце між неполярними молекулами. У чистому виді дисперсійна взаємодія виявляється у інертних газах, що при зниженні температури конденсуються. У неполярних молекулах розподіл електронної густини симетричний і дипольний момент відсутній, електронні хмари постійно коливаються біля ядер, утворюючі тимчасові чи миттєві диполі. Обидві молекули будуть мати дипольні моменти, спрямовані в одну сторону, і притягуватися одна до одної. У наступний момент диполі в молекулах можуть бути спрямовані в протилежний бік, і знову наведений у молекулі диполь стане таким, що між молекулами виникне притягання. Дипольні моменти виникають лише на мить, але сумарний ефект їхньої взаємодії — це постійно діючі сили притягання. У результаті дисперсійної взаємодії енергія системи знижується. Особливістю дисперсійної взаємодії є її загальність, тому що у всіх молекулах полярних і неполярних є електрони, що рухаються.

У цілому сили Ван-дер-ваальса в 100-300 разів слабкіше сил, що зв'язують атоми в молекули. Усі три види енергії взаємодії негативні, що означає зниження енергії системи в міру зближення молекул, тобто вказує на сили притягання між молекулами. З трьох названих найбільш сильним є диполь-дипольна взаємодія. На дуже близьких відстанях між молекулами виникають сили відштовхування в результаті перекривання замкнутих (заповнених) електронних оболонок.

Водневий зв'язок

Крім універсальної ван-дер-ваальсової взаємодії між молекулами може виникати водневий зв'язок. Водневий зв'язок є специфічною міжмолекулярною взаємодією, тому що можливість її виникнення і міцність залежать від хімічної природи речовини.

Водневий зв'язок виникає між молекулами, у яких атом водню зв'язаний з атомом елемента, що має високу электронегативність. Так, атом водню, що утворює у молекулі НХ міцний ковалентний зв'язок з атомом X, може утворювати водневий зв'язок з атомом X (чи У) іншої молекули. Водневий зв'язок прийнято зображувати крапками: X – Н...У. Звичайно енергія водневого зв'язку (8-80 кдж/моль) значно уступає енергії хімічного зв'язку, але набагато більше енергії ван-дер-ваальсова взаємодії (1-5 кдж/моль). Виникнення водневого зв'язку зумовлено двома причинами:

1. Атом водню, пов'язаний полярним ковалентним зв'язком з атомом X, фактично не має електронів і здатний легко впроваджуватися в електронні хмари інших частин.

2. Володіючи вакантної s-орбиталью, атом водню може приймати неподілену електронну пару атома У і утворювати з ним донорно-акцепторний зв'язок.

Значний внесок в утворення водневого зв'язку вносить електростатична взаємодія між позитивно поляризованим атомом водню в молекулі Н-Х і негативно поляризованим атомом У в іншій молекулі. Найчастіше водневий зв'язок утворюється за участю атомів таких елементів, як кисень, фтор, азот.

Водневий зв'язок істотно впливає на властивості речовин. Так, при його наявності підвищуються температура кипіння, теплоти випаровування і плавлення, молекули речовин у рідкому стані становляться асоційованими.

Найбільш типовий приклад сполуки з водневими зв'язками — це вода. У рідкому стані вода знаходиться у виді асоціацій (Н₂О)n, а в кристалах льоду кожен атом кисню утворює по два водневих зв'язки, що визначає його тетраедричне оточення. Порівняно високі значення Т_кип і Н_исп води – наслідок асоціації в результаті виникнення водневих зв'язків. Вода має аномально високу температуру кипіння. Якби у воді були відсутні водневі зв'язки, вона кипіла б при більш низькій температурі і на Землі не було б водойм, тому що вся вода знаходилася б у газоподібному стані. Завдяки ажурній структурі льоду він має меншу густину, ніж рідка вода. Тому лід плаває на поверхні води, узимку водойми не промерзають до дна, що сприяє збереженню живих істот. Утворенням тетраедричної структури зумовлюється унікальна властивість води – розширюватися при замерзанні. При плавленні льоду при атмосферному тиску структура зберігається, з цим пов'язані біологічні властивості «талої» води.

Поряд з міжмолекулярними водневими зв'язками при сприятливих умовах водневий зв'язок може здійснюватися між різними частинами однієї молекули. У цьому випадку його називають внутрішньомолекулярним. Структура і властивості багатьох органічних речовин визначаються утворенням таких зв'язків. Так, молекули протеїнів зберігають свою спіральну форму через водневі зв'язки. Вони ж утримують разом подвійні спіралі ДНК.