Силы межмолекулярного взаимодействия

Те силы, которые удерживают молекулы совместно – в молекулярной решётке или в жидкой фазе, объединяют под общим названием сил межмолекулярного взаимодействия или межмолекулярных сил. Их называют ещё силами Ван-дер-Ваальса или вандерваальсовыми силами по имени учёного, который вывел уравнение газового состояния, учитывающее взаимное притяжение молекул. Как и химическая связь, эти силы имеют, в конечном счёте, электрическую природу.

Чтобы понять природу межмолекулярных сил, рассмотрим поведение нейтральных молекул в электрическом поле. Под действием электрического поля полярные молекулы вещества в той или иной степени ориентируются по направлению поля. Это явление называется ориентационной поляризацией. Тепловое движение стремится нарушить ориентацию молекул. В результате устанавливается некое равновесное состояние, зависящее от величины диполя молекулы, температуры и приложенного поля. Очевидно, при прочих равных условиях ориентация будет тем сильнее, чем больший диполь имеет молекула. Кроме того, под действием электрического поля в молекулах происходит некоторое смещение электронных облаков относительно ядер. Результатом этого смещения является так называемый индуцированный диполь, увеличивающий общий дипольный момент молекулы. Очевидно, что индуцированный диполь существует до тех пор, пока на молекулу действует внешнее поле. Индуцированный диполь может возникнуть даже в таких симметричных молекул, как H₂ или CCl₄.

Рассмотрим, какое значение имеет поведение молекул в электрическом поле для возникновения межмолекулярных сил. Если две полярные молекулы окажутся рядом, то разноимённо заряженные концы этих молекул притянутся. Возникающие в результате этого ориентационные силы (силы Кеезона) будут стремиться удерживать эти молекулы вместе. Кроме этого, на каждую молекулу будет влиять поле соседней молекулы, что приведёт к деформации электронных облаков молекулы и появлению у неё индуцированного диполя, причём под влиянием поля полярной молекулы диполь индуцируется даже в неполярной молекуле. В результате дополнительно к ориентационным возникают индукционные силы межмолекулярного взаимодействия (силы Дебая).

Особым случаем является взаимодействие между неполярными молекулами. В этом случае взаимное притяжение между молекулами объясняют наличием так называемого дисперсионного взаимодействия (силы Лондона). Дисперсионные силы возникают потому, что в атоме существуют колебательные движения ядра и электронов друг относительно друга. В результате в атоме возникают как бы флуктуирующие (виртуальные) диполи. Наглядно представить себе образование этих диполей можно, пользуясь представлением об электронах как о частицах, вращающихся вокруг ядра: с той стороны атома, на которой в данный момент находится вращающийся вокруг атома электрон, имеется избыток отрицательного заряда и, следовательно, с другой стороны – избыток положительного заряда. При сближении частиц флуктуации диполей делаются согласованными по фазе, т.е. такими, что отрицательный конец одного диполя примыкает к положительному концу другого диполя, несмотря на быструю перемену знака заряда. Такие синхронные колебания «мгновенных» диполей приводят к взаимодействию молекул.

Энергия дисперсионного взаимодействия меньше энергии ориентационного и индукционного взаимодействия. Для дисперсионных сил характерно быстрое убывание с расстоянием (энергия взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между молекулами), поэтому дисперсионное взаимодействие проявляется только при тесном сближении частиц. Этот вид межмолекулярного взаимодействия универсален, т.е. он возникает между любыми частицами, независимо от наличия у них заряда или диполей. Это единственная причина взаимодействия неполярных молекул. Например, только дисперсионным взаимодействием можно объяснить притяжение между атомами (одноатомными молекулами) инертных газов в жидкой и твёрдой фазах; если бы не дисперсионное взаимодействие, то инертные газы при любой температуре оставались бы газообразными.

Дисперсионное взаимодействие тем сильнее, чем больше поляризуемость частицы. Поэтому, например, для инертных газов с ростом заряда ядра и, следовательно, увеличением числа электронов и поляризуемости (деформируется) электронной оболочки повышаются Т _пл и Т _кип.

Таким образом, вандерваальсовы силы делятся на ориентационные, индукционные и дисперсионные. Характерными чертами этих сил являются аддитивность (действие их складывается) и ненасыщаемость (число молекул, ориентирующихся около диполей, неопределённо).

Силы межмолекулярного взаимодействия примерно на два порядка слабее сил, удерживающих вместе атомы при возникновении между ними обычной химической связи: их энергия составляет всего несколько кДж/моль, обычных же химических связей – сотни кДж/моль. Поэтому для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия требуется гораздо меньшая энергия, чем для разрыва ковалентной или ионной связи.

4. Энергетика химических реакций

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: