Межмолекулярное взаимодействие

Оно наблюдается между уже готовыми частицами (ионами, молеку­лами), находящимися на расстоянии значительно большем их собственных размеров. Сюда относят:

1. ион-дипольное взаимодействие;

2. диполь-дипольное взаимодействие;

3. взаимодействие «постоянный диполь - наведенный диполь»;

4. взаимодействие «мгновенный диполь - наведенный диполь»;

5. водородную связь;

6. межмолекулярное отталкивание.

Чтобы вещество могло перейти из газообразного состояния в жидкое и твердое, между его молекулами должны действовать силы притяжения. В 1873 году они впервые были открыты Ван-дер-Ваальсом и названы его именем. По своей природе они являются неионными и нековалентными и имеют различное происхождение.

В зависимости от природы взаимодействующих частиц (молекул) различают три составляющие Ван-дер-Ваальсовых сил:

• ориентированные силы − наблюдаются при ион-дипольном и диполь- дипольном взаимодействии, т.е. ориентационном взаимодействии;

• индукционные силы − наблюдаются при взаимодействии «диполь - наведенный диполь», т.е. индукционном взаимодействии;

• дисперсионные силы − наблюдаются при взаимодействии «мгновенный диполь - наведенный диполь», т.е. дисперсионном взаимодействии.

Рассмотрим все виды молекулярного взаимодействия.

I. Ион-дипольное взаимодействие.

Наблюдается между ионом с зарядом Z⁺ или Z⁻ и полярной молеку­лой, т.е. диполем. Последняя обладает дипольным моментом, равным

= δ∙l,

где δ − заряд, l - длина диполя.

В электрическом поле иона диполь ориентируется параллельно градиенту поля (см. рис.).

Полярная молекула

r − расстояние между геометрическими центрами иона и диполя; Z⁺ − заряд катиона; Z⁻ − заряд аниона

Потенциальная энергия такого взаимодействия равна

,

где ε₀ − диэлектрическая постоянная вакуума.

Это взаимодействие подобно притяжению ионов. Оно наблюдается при растворении и диссоциации ионных кристаллов в полярных растворителях. При этом в растворе образуются сольваты - ионы, окруженные молекулами растворителя. Если растворитель - вода, то сольваты называются гидратами, например Na(H₂O) , F(H₂O) .

II. Диполь-дипольное взаимодействие.

Наблюдается между двумя полярными молекулами (диполями), каждая из которых обладает дипольным моментом ₁, и ₂. Оно проявляется во взаимной ориентации диполей друг относительно друга (см. рис.).

Оно слабее ион-диполъного взаимодействия и в большей степени зависит от расстояния между взаимодействующими диполями . Оно проявляется в таких полярных жидкостях, как вода и фтороводород. Энергия диполь-дипольного взаимодействия, называемая Энергией Кеезома, равна (для осевого расположения диполей):

.

Е_к еще называют энергией ориентационного взаимодействия.

Энергия такого взаимодействия уменьшается с ростом температуры. Для двух однородных взаимодействующих полярных молекул

,

где k − постоянная Больцмана, l − расстояние между диполями.

III. Взаимодействие «постоянный диполь - наведенный диполь»

При приближении к неполярной молекуле иона, ее электронное облако искажается точно так же, как под действием катиона искажается электронное облако аниона. Это явление называется поляризацией нейтральной частицы (наведение в ней диполя) под действием внешнего поля. Оно происходит благодаря наличию у молекулы свойства поляризуемости γ. Энергия между ионом и наведенным диполем равна

.

Аналогично постоянный диполь индуцирует распределение зарядов в неполярной молекуле. Затем постоянный и наведенный диполи взаимодействуют (см. рис.).

Штриховая линия означает наведение диполя в неполярной молекуле _нав.

Энергия притяжения между ними, называемая энергией Дебая, равна

где _нав − момент наведенного диполя, γ − электронная поляризуемость (деформируемость) неполярной молекулы. P = ε₀∙γ − электронная поляризация.

Это взаимодействие слабое. Оно проявляется в растворах полярных соединений в неполярных растворителях и не зависит от температуры.

где _{1, 2} − соответственно постоянный и наведенный диполь, l − расстояние между центрами диполей.