Взаимодействие между молекулами, Ван-дер-Ваальсовы силы: ориентационная, индукционная и дисперсионная составляющие. Полная энергия межмолекулярного взаимодействия - Систематика химических элементов

Ван-дер-Ваальсовы силы: ориентационная, индукционная и дисперсионная составляющие. Полная энергия межмолекулярного взаимодействия

Молекула - Химически устойчивое и электрически нейтральное образование. Однако химическая устойчивость отдельной молекулы относительна и проявляется на расстояниях, значительно превышающих размеры самой молекулы.

Уже на расстоянии порядка 1нм между молекулами возникают силы притяжения (ван-дер-ваальсовы силы). При этом их электронные облака не перекрываются, химическая связь не образуется. На расстояниях значительно меньших, чем 1нм возможны перекрывания электронных облаков с образованием новых молекул. Возникающие при этом связи могут иметь различную прочность. Относительно малую прочность имеют водородные связи; более высокую прочность имеют химические связи между молекулами, образованными по донорно-акцепторному механизму.

Слабое взаимодействие между нейтральными молекулами на расстояниях, значительно превосходящих их размеры, было впервые экспериментально обнаружено голландским ученым Ван-дер-Ваальсом. Этим силам приписывают электростатическую природу и обычно выделяют три их составляющие: ориентационную, индукционную и дисперсионную.

Ориентированная (диполь-дипольная) составляющая Представляет собой электростатическое взаимодействие соответствующим образом ориентированных диполей, т. е. полярных молекул. Энергия ориентационного взаимодействия возрастает с увеличением электрического момента диполя молекулы и уменьшается с ростом температуры, т. к. тепловое движение молекул нарушает ориентацию диполей и соответственно снижает энергию их взаимодействия.

Эта составляющая сил Ван-дер-Ваальса проявляется только в системе, состоящей из полярных молекул.

Индукционная составляющая проявляется в системах, состоящих из полярных и неполярных молекул. Под действием электрического поля полярной молекулы в неполярной молекуле происходит наведение (индукция) электрического поля, т. е. неполярная молекула поляризуется под действием электрического поля полярной молекулы. Энергия индукционного взаимодействия будет возрастать с ростом электрического момента диполя полярной молекулы, но не будет зависеть от температуры, поскольку наведение диполя в неполярной молекуле определяется суммарным электрическим полем полярных молекул, окружающих данную, т. е. наведение диполя в неполярной молекуле происходит при любой пространственной ориентации молекул.

Межмолекулярное взаимодействие не исчерпывается ориентационной и индукционной составляющими. Известно большое количество таких веществ, как благородные (Не, Ne, Ar и т. д.) или простые (О2, Н2, N2 и т. д.) газы, молекулы которых одноатомны или неполярны соответственно, но которые могут быть получены в конденсированном состоянии.

Возникновение взаимодействия между подобными молекулами было впервые объяснено немецким ученым Ф. Лондоном (модель Лондона). Он показал, что электростатическое отталкивание между электронами двух каких-либо атомов или молекул снижается, если движение электронов в них происходит таким образом, что электроны все время оказываются максимально удаленными друг от друга. При таком согласованном движении электронов каждый из атомов представляет собой "мгновенный" диполь, положительный полюс которого расположен в ядре атома, а отрицательный - в точке нахождения электрона. При таком согласованном движении электронов "мгновенные" диполи ориентируются разноименно заряженными концами, в результате чего происходит их электростатическое притяжение.

Модель Лондона позволила определить среднюю статистическую величину всех подобных взаимодействий, получившую название Дисперсионной составляющей сил Ваи-дер-Baaльca, которая действует между любыми атомами или молекулами независимо от их строения.

Энергия дисперсионной составляющей будет возрастать с увеличением эффективного радиуса взаимодействующих атомов или молекул, поскольку при этом растет величина поляризуемости атомов или молекул.

Все составляющие вандерваальсовых сил обратно пропорциональны расстоянию в шестой степени между взаимодействующими молекулами. На малых расстояниях между молекулами, когда электростатическое отталкивание ядер и электронов превалирует над электростатическим притяжением, проявляется действие сил отталкивания. На существование сил отталкивания указывает малая сжимаемость жидкостей и твердых тел. Лондон установил, что силы отталкивания обратно пропорциональны расстоянию между молекулами в двенадцатой степени.

Таким образом, полная энергия межмолекулярного взаимодействия может быть представлена в виде алгебраической суммы двух слагаемых

, (6)

Где а и b - константы, характеризующие энергию притяжения и отталкивания соответственно.

Вандерваальсовому взаимодействию свойственна невысокая энергия, соизмеримая с энергией теплового движения молекул, т. е. она примерно на порядок ниже, чем энергия химической связи. Эти силы отличаются от ковалентных сил отсутствием направленности и насыщаемости, и проявляются они на значительных расстояниях.

Похожие статьи




Взаимодействие между молекулами, Ван-дер-Ваальсовы силы: ориентационная, индукционная и дисперсионная составляющие. Полная энергия межмолекулярного взаимодействия - Систематика химических элементов

Предыдущая | Следующая