Межмолекулярные силы. Силы, обеспечивающие ионную и ковалентную связи, называются химическими. Эти силы убывают с возрастанием расстояния между атомами.

Но между нейтральными атомами и молекулами действуют еще и дальнодействующие силы притяжения. Они обусловлены кулоновским взаимодействием заряженных частиц, входящих в состав нейтральных атомов и молекул на расстояниях, значительно превосходящих размеры молекул. К ним относят силы, возникающие при взаимодействии

• постоянных дипольных моментов атомов или молекул (диполь – дипольное взаимодействие)

• постоянных диполей с диполями индуцированными (индукционное взаимодействие),

• между мгновенными диполями (дисперсионное взаимодействие) (силы Ван-дер-Ваальса).

Диполь – дипольное (ориентационное) взаимодействие является наиболее сильным, оно возникает при сближении двух полярных молекул. Минимальная энергия взаимодействия соответствует ориентации, при которой положительный полюс одной молекулы соседствует отрицательным полюсом другой. В газах и жидкостях ориентации полярных молекул препятствует тепловое движение.

Энергия диполь – дипольного взаимодействия

~,

где - дипольный момент молекулы, - температура, - расстояние между центрами диполей.

Полярная молекула создает электрическое поле, которое поляризует неполярную молекулу – индуцирует в ней дипольный момент. Потенциальная энергия индукционного взаимодействия

~ ,

где - дипольный момент полярной молекулы, - поляризуемость молекулы, - межмолекулярное расстояние.

Дисперсионное взаимодействие в чистом виде проявляется у инертных газов. У неполярных молекул дипольное взаимодействие возникает следующим образом – вследствие движения электронов в атомах возникают мгновенные дипольные моменты, отличные от нуля.

Дисперсионное взаимодействие связано с наличием у невозбужденных атомов или молекул нулевых колебаний, не зависящих от температуры.

Предположим, что колебания электронов происходят вдоль прямой, соединяющей атомы. При отклонении электронов от положения равновесия на и у атомов появляются дипольные моменты и . Потенциальная энергия взаимодействия диполей будет

,

где - расстояние между диполями. Из этого выражения видно, что , значит, атомы притягиваются друг к другу.

Для диполя в постоянном электрическом поле дипольный момент

.

где - поляризуемость атома.

Для гармонического осциллятора сила, действующая на заряд равна , и при равновесии

, откуда .

В результате получается

.

Для реальных атомов

,

где - энергия ионизации атома, - коэффициент порядка единицы.

К молекулярным силам относятся также силы отталкивания. Возникновение этих сил связано с тем, что при достаточном сближении происходит соприкосновение электронных оболочек частиц. Дальнейшее сближение невозможно, т.к. это приведет к взаимному проникновению электронных оболочек, что запрещено принципом Паули. Силы отталкивания являются короткодействующими и быстро убывают с увеличением расстояния между атомами и молекулами. Точно рассчитать для межмолекулярного отталкивания невозможно. Обычно пользуются формулой Ленарда-Джонса:

,

где параметры и определяют экспериментально.

Короткодействие сил отталкивания используют в идеализированной модели для газов: молекулы и атомы рассматриваются, как упругие шарики, при столкновении которых возникают большие силы отталкивания.