IV. Взаимодействие «мгновенный диполь - наведенный диполь» (дисперсионное взаимодействие)

оно еще слабее и наблюдается между неполярными молекулами. Это взаимодействие называют дисперсионным притяжением, или эффектом Лондона. Благодаря ему возможно перевести благородные газы в жидкое состояние. Энергия такого взаимодействия равна

где E_И − энергия ионизации.

В неполярных молекулах распределение электронной плотности в среднем симметрично, но в каждый момент времени электронное распределение одной из молекул может быть асимметричным, и поэтому на мгновение у такой молекулы возникает дипольный момент.

Возникший дипольный момент способен индуцировать диполь в другой неполярной молекуле, расположенной рядом. Таким образом две молекулы воды имеют дипольные моменты, направленные так, что молекулы начинают притягиваться друг к другу.

В следующий момент времени диполь на первой молекуле может быть направлен в противоположную сторону. И снова индуцированный дипольный момент во второй молекуле станет таким, что между молекулами возникает притяжение. Сами дипольные моменты в молекулах один и два возникают на мгновение, но суммарный эффект их взаимодействий - это постоянно действующие силы притяжения.

Это явление можно описать также синхронизацией движения электронов в двух неполярных молекулах, при которой отталкивание «электрон - электрон» будет минимальным, а притяжение «ядро-электрон» - максимальным.

V. Водородная связь

Она имеет промежуточный характер между ковалентной полярной связью и межмолекулярным взаимодействием - диполь-дипольным. Эта связь слабее в 10-20 раз обычной ковалентной связи и сильнее диполь-дипольного взаимодействия.

Возникает меду сильнополярными молекулами, содержащими в своем составе атом водорода (Н₂О, HF, NH₃, спирты, амины). Ее образование между полярными и неполярными молекулами, содержащими атом водорода, обусловлено уникальными свойствами:

1. водород имеет малый размер;

2. у него отсутствуют внутренние электронные слои.

Благодаря этому (1 и 2) водород может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы, и между молекулами возникает взаимодействие, которое носит частично донорно-акцепторный характер и имеет электростатическую природу. Так возникает водородная связь.

Рассмотрим на примере HF. В HF связь − ковалентная полярная.

Н^δ+→F^δ− + Н^δ+→F^δ−

H₂F₂ = (HF)₂

Более прочная водородная связь образуется между НF и ионом F⁻: F^{− .......} Н→F. Это подтверждается существованием [F ^....... Н ^....... F]⁻ − иона, а следовательно и кислых солей: KHF₂, NaHF₂ и т.д.

Y ^….. H→X, где Y и X − F, N, O. Чем больше электроотрицательность X и Y, тем прочнее водородная связь.

Каждая молекула воды может образовать четыре водородные связи: две за счет двух атомов водорода, две за счет несвязывающих (неподеленных) пар электронов атома кислорода. У кислорода sp²-гибридизация с участием двух неподеленных пар электронов (искаженный тетраэдр).

Данные, свидетельствующие о наличии водородных связей:

1. Вследствие ассоциации (из-за водородных связей) HF – более слабая кислота, чем НС1, НВг и т.д.

2. Вследствие ассоциации температура кипения HF выше, чем температура кипения НС1.

3. Температура кипения и плавления HF, H₂O, NH₃ выше, чем гидридов других элементов тех же групп.

4. Молекулы карболовых кислот димеризованы за счет водородных связей, о чем говорит экспериментально найденная молекулярная масса, которая в два раза выше формульной (найденной по формуле R-COOH).

5. Спирты R−С−ОН хорошо растворимы в воде, поскольку их молекулы могут замещать молекулы воды в возникших ассоциатах и между молекулами этанола и воды образуются новые водород­ные связи. С₂Н₅С1 плохо растворяется в воде, т.к. в этом случае не образуется водородных связей между галогеналканами и молекулами воды.

6. Благодаря наличию водородных связей спирты и амины менее летучи, чем алканы со сравнимой молекулярной массой, т.е. их температура кипения выше.

7. Структура льда аналогична структуре воды: имеет место тетраэдрическое расположение. Водородные связи пронизывают всю структуру льда. Молекулы в нем упакованы менее плотно, поэтому Н₂О, замерзая, увеличивает свой объем на 9% и лед имеет меньшую плотность, чем Н₂О, при 0°С. Меньшая плотность льда по сравнению с Н₂О при 0°С приводит к тому, что пруды и озера замерзают с поверхности. Плотность воды достигает максимального значения при 4°С. При дальнейшем охлаждении вода на поверхности становится менее плотной и замерзает. Лед предохраняет от потери тепла.

Существуют и внутримолекулярные водородные связи. Они приводят к тому, что теряется способность молекул к ассоциации.

Поэтому такие соединения более летучи, хорошо растворимы в органических растворителях и менее реакционноспособны.