Главная Обратная связь

Дисциплины:






Види міжмолекулярної взаємодії



Міжмолекулярною взаємодією називається взаємодія між молекулами, що не супроводжується додатковим усуспільненням електронної густини, тобто утворенням нових зв'язків. Молекулярна взаємодія визначає відмінності реальних газів від ідеальних, існування рідин і молекулярних кристалів. Поняття про міжмолекулярну взаємодію вперше було введено голландським ученим И. Д. Ван-дер-Ваальсом, тому сили міжмолекулярної взаємодії часто називають ван-дер-ваальсовими.

Електричні властивості молекул

Дипольні моменти молекул звичайно мають порядок 4,8 Д.

Якщо полярну молекулу з сталим значенням дипольного моменту mст помістити в електричне поле, відбувається деформація електронних хмар і відстань між центрами мас позитивних і негативних зарядів збільшується, тобто відбувається поляризація молекули. У результаті поляризації в молекулі виникає додатковий дипольний момент, який називається індукованим чи наведеним mінд.

m = mст + mінд.

Величина індукованого дипольного моменту пропорційна напруженості поля Н (якщо вона не занадто велика):

mінд =Н×a.

Коефіцієнт пропорційності a у цьому рівнянні називається поляризовністю молекул. Поляризовність характеризує здатність електронних хмар деформуватися під впливом електричного поля. Поляризовність атомів збільшується зі зростанням атомного номера, розмірів атома. d-електронні хмари перехідних металів деформуються легше, ніж s- і р-хмари. Поляризовність молекул збільшується зі збільшенням числа електронів.

Основу міжмолекулярної взаємодії складають кулоновські сили, що виникають між електронами і ядрами молекул. Взаємодія залежить від відстані між молекулами r, їхньої взаємної орієнтації, будови й електричних властивостей (дипольного моменту, поляризовності й ін.). При досить великих відстанях, значно більших, ніж розміри молекул, можна виділити три типи взаємодії.

Диполь-днпольна (оріентаційна) взаємодія

При зближенні двох полярних молекул вони орієнтуються так, щоб енергія системи була мінімальною. Цій умові відповідає орієнтація, при якій позитивний кінець одної молекули знаходиться рядом з негативним кінцем іншої молекули. У газах і рідинах орієнтації полярних молекул перешкоджає тепловий рух. Енергія оріентаційної взаємодії між двома однаковими диполями дорівнює:

Еор = –

m – дипольний момент молекули; r – відстань між центрами диполів; k — стала Больцмана. Важливо відзначити, що ця енергія обернено пропорційна шостого ступеня r і абсолютній температурі.

Взаємодія диполь – індукований диполь (індукційна взаємодія)

Присутність полярної молекули поблизу інший, котра може бути полярною чи неполярною, має на другу молекулу поляризуючу дію і викликає появу в ній індукованого дипольного моменту, який має той же напрямок, що і постійний. Взаємодія постійного диполя однієї молекули з наведеним диполем другої знижує енергію системи на величину, яка називається енергією індукційної взаємодії Еінд. При взаємодії полярної і неполярної молекул



Еінд = – .

Таким чином, енергія індукційної взаємодії, так само як оріентаційного, зменшується пропорційно шостого ступеня відстані, але індукційна взаємодія не залежить від температури, тому що орієнтація наведеного диполя визначається тільки напрямком постійного диполя. Прикладами речовин, у яких має місце індукційна взаємодія, можуть служити гідрати С12×8Н2О, Хе×5Н2О. Сильно полярні молекули води индукують диполі в неполярних молекулах С12 і Хе, що веде до утворення слабких зв'язків.

Дисперсійна взаємодія (ефект Лондона)

Цей вид взаємодії має місце між неполярними молекулами. У чистому виді дисперсійна взаємодія виявляється в інертних газах, що при зниженні температури конденсуються. У неполярних молекулах розподіл електронної густини симетричний і дипольний момент відсутній, електронні хмари постійно коливаються біля ядер, утворюючи тимчасові чи миттєві диполі. Обидві молекули будуть мати дипольні моменти, спрямовані в одну сторону, і будуть притягуватися друг до друга. У наступний момент диполі в молекулах можуть бути спрямовані в протилежну сторону, і знову наведений у молекулі диполь стане таким, що між молекулами виникне притягання. Дипольні моменти виникають лише на мить, але сумарний ефект їхньої взаємодії — це постійно діючі сили притягання. У результаті дисперсійної взаємодії енергія системи знижується на величину;

Едисп = – ,

де hn0/2 — енергія коливання атомів при 0 К. Величина Едисп залежить від поляризовності молекул.

Особливістю дисперсійної взаємодії є її загальність, тому що у всіх молекулах полярних і неполярних є електрони, що рухаються. Надзвичайно низькі температури конденсації і кристалізації інертних газів (для неону, наприклад, температура плавлення дорівнює –249 °С, а температура кипіння –246 °С) свідчать про слабкість цих сил. У цілому сили Ван-дер-ваальса в 100¸300 разів слабкіше сил, що зв'язують атоми в молекули.

Усі три види енергії взаємодії негативні, що означає зниження енергії системи в міру зближення молекул, тобто вказує на сили притягання між молекулами. З трьох названих найбільш сильною є диполь-дипольна взаємодія. Речовини, молекули яких полярні, звичайно мають більш високі температури плавлення, чим речовини, що складаються з неполярних молекул.

На дуже близьких відстанях між молекулами виникають сили відштовхування в результаті перекривання заповнених електронних оболонок.

 

Водневий зв'язок

Крім універсальної Ван-дер-ваальсової взаємодії між молекулами може виникати водневий зв'язок. Водневий зв'язок є специфічною міжмолекулярною взаємодією, тому що можливість її виникнення і міцність залежать від хімічної природи речовини.

Водневий зв'язок виникає між молекулами, у яких атом Гідрогену зв'язаний з атомом другого елемента, який має високе значення електронегативності. Найчастіше водневий зв'язок утвориться за участю атомів Оксигену, Хлору, Флору, Нітрогену. Його прийнято зображувати крапками: О – Н...О. Звичайно енергія водневого зв'язку (8¸80 кДж/моль) значно менше енергії хімічного зв'язку, але набагато більше енергії ван-дер-ваальсової взаємодії (1¸5 кДж/моль). Однак в іоні (FHF)- існує сильний водневий зв'язок (250 кдж/моль).

Виникнення водневого зв'язку обумовлено двома причинами:

1. Атом водню, зв'язаний полярним ковалентним зв'язком з іншим атомом, фактично не має електронів і здатний легко впроваджуватися в електронні хмари інших часток.

2. Наявність вакантної s-орбіталлю у атомі Гідрогену дає можливість приймати неподілену електронну пару іншого атома та утворювати з ним донорно-акцепторний зв'язок.

Значений внесок в утворення водневого зв'язку вносить електростатична взаємодія між позитивно поляризованим атомом Гідрогену в молекулі та іншим негативно поляризованим атомом в другій молекулі.

Найбільш типовий приклад сполуки з водневими зв'язками — це вода. У рідкому стані вода знаходиться у виді асоциатів (Н2О)n, а в кристалах льоду кожний атом Оксигену утворює по два водневих зв'язки, що визначає його тетраедричне оточення. Цей міжмолекулярний зв'язок зумовлює утворення просторової структури великого числа часток. У розчині мурашиної кислоти, завдяки таким же зв'язкам, молекули утворюють димери.

Крім міжмолекулярного водневого зв'язку при сприятливих умовах існує і внутрішньомолекулярний водневий зв'язок. Який здійснюється між різними частинами однієї молекули. На приклад, такий зв’язок є в молекулах о-хлорфенолу та саліцилового альдегіду:

Водневий зв'язок істотно впливає на властивості речовин. Так, при його наявності підвищуються температура кипіння, теплоти випаровування та плавлення, молекули речовин у рідкому стані асоційовани. Структура і властивості більшості органічних речовин визначаються утворенням саме таких зв'язків. Так, молекули протеїнів зберігають свою спіральну форму через водневі зв'язки. Вони ж утримують разом подвійні спіралі ДНК.

Мірою енергії міжмолекулярної взаємодії служать температура кипіння і теплота випаровування DНвип рідини. Порівняно високі значення Ткип і DНвип води є наслідком асоціації в результаті виникнення водневих зв'язків. Насамперед, вода має аномально високу температуру кипіння. Відомо, що температури кипіння рідин підвищуються зі збільшенням молярної маси. Температура кипіння сірководню, у якому водневі зв'язки виражені слабко, дорівнює –60,8 °С. Якби у воді були відсутні водневі зв'язки, він кипіла б при більш низькій температурі і на Землі не було би водойм – уся вода знаходилася б у газоподібному стані. Завдяки ажурній структурі льоду він має меншу густину, ніж рідка вода. Тому лід плаває на поверхні води, узимку водойми не промерзають до дна, що забезпечує збереження живих істот. Утворенням тетраедричної структури пояснюється унікальна властивість води – розширюватися при замерзанні. При плавленні льоду при атмосферному тиску структура зберігається, з цим зв'язані біологічні властивості «поталої» води.

 





sdamzavas.net - 2020 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...