Вы замечали, что некоторые люди подсознательно тянутся друг к другу, как магниты? А в вашей школьной химической лаборатории столкновения молекул приводили порой к взрывам и выбросам пара? Все это - проявления одного фундаментального явления нашего мира - межмолекулярного взаимодействия. Давайте разберемся, что это такое и как оно определяет свойства окружающей нас материи!
1. Общие принципы межмолекулярного взаимодействия
Межмолекулярные взаимодействия - это силы, возникающие между молекулами и атомами, не приводящие к образованию химических связей. Эти силы гораздо слабее ковалентных связей внутри молекул, но играют важнейшую роль в физических свойствах веществ.
Существование различных агрегатных состояний вещества объясняется тем, что между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания. При изменении температуры баланс этих сил и энергии теплового движения изменяется, что и приводит к изменению состояния вещества.
Основные типы межмолекулярных взаимодействий:
- Дисперсионные - возникают между любыми молекулами из-за флуктуаций электронных оболочек
- Ориентационные (диполь-дипольные) - обусловлены взаимодействием постоянных дипольных моментов молекул
- Индукционные (диполь-индуцированный диполь) - возникают при поляризации молекул под действием соседних диполей
Эти силы имеют электростатическую природу и сильно зависят от расстояния между молекулами. На больших расстояниях преобладают силы притяжения, на малых - отталкивания электронных оболочек.
E_ориент = -C*μ1*μ2/r^3
где μ1 и μ2 - дипольные моменты, r - расстояние, C - константа.
2. Механизмы конкретных типов межмолекулярного взаимодействия
Как взаимодействуют между собой молекулы вещества? Рассмотрим подробнее конкретные типы межмолекулярных взаимодействий и их механизмы.
Дисперсионное взаимодействие
Этот тип взаимодействия возникает между любыми молекулами, даже неполярными. Причина в том, что распределение электронной плотности в молекулах неоднородно и подвержено флуктуациям.
Хотя в среднем у неполярной молекулы дипольный момент отсутствует, в каждый конкретный момент времени электроны в электронном облаке могут иметь несимметричное положение. В результате мгновенный дипольный момент будет отличен от нуля.
Такие флуктуационные дипольные моменты и взаимодействуют между собой, образуя дисперсионную силу:
E_дисп ~ α1*α2/r^6
где α1 и α2 - поляризуемости молекул.
Водородная связь
Особым видом межмолекулярного взаимодействия является водородная связь, возникающая между электроотрицательным атомом одной молекулы и атомом водорода другой.
Водородные связи играют важнейшую роль в структуре и свойствах таких веществ, как вода, белки, нуклеиновые кислоты.
Как взаимодействуют между собой молекулы любого вещества? Как видно на этих примерах, межмолекулярные взаимодействия имеют разную природу, но в любом веществе они определяют его физические свойства.
3. Закономерности межмолекулярных взаимодействий
Межмолекулярные взаимодействия подчиняются определенным закономерностям, связанным со строением и свойствами молекул.
Зависимость от размера молекул
Интенсивность межмолекулярных взаимодействий, как правило, возрастает с увеличением размеров молекул. Это связано с тем, что бóльшие молекулы обладают большей поляризуемостью и поляризующим действием на соседние молекулы.
Поляризованность зависит от размера частички, поэтому прочность молекулярных решеток должна возрастать с увеличением размеров атомов и молекул, которые взаимодействуют.
Например, температуры кипения возрастают в ряду гомологов или от гелия к другим инертным газам.
Влияние структуры молекул
Наличие постоянного дипольного момента или поляризуемых групп в молекуле усиливает межмолекулярные взаимодействия по сравнению с углеводородами.
Также сильное влияние оказывает способность образовывать водородные связи, как у воды, спиртов, карбоновых кислот.
Аномалии свойств некоторых веществ
Для ряда веществ наблюдаются аномалии в поведении, не укладывающиеся в общие закономерности.
Например, жидкий гелий не кристаллизуется при нормальном давлении даже при абсолютном нуле. Причиной является слабость дисперсионных сил для столь малого атома гелия.
Другой пример - аномальные свойства воды, связанные с образованием прочных водородных связей, которые искажают структуру жидкости.
4. Количественное описание межмолекулярных взаимодействий
Для точного моделирования свойств веществ необходимо количественно описывать межмолекулярные взаимодействия с помощью различных подходов.
Эмпирические потенциалы парного взаимодействия
Наиболее распространен подход с использованием потенциалов Леннарда-Джонса, Буцкингема и др. Они описывают взаимодействие между парами атомов или молекул.
Метод атом-атомных потенциалов
Для конденсированного состояния применяют разложение полного взаимодействия на парные атом-атомные вклады с учетом эффективных зарядов.
Анализ межмолекулярных взаимодействий по Хиршфельду
Метод квантово-механических расчетов, позволяющий разделить вклады отдельных типов межмолекулярных взаимодействий в кристаллических твердых телах.
5. Значение межмолекулярных взаимодействий
Понимание механизмов и закономерностей межмолекулярных взаимодействий важно как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения.
Объяснение макроскопических свойств веществ
Знание типов межмолекулярных сил позволяет интерпретировать и прогнозировать поведение веществ в различных агрегатных состояниях.
Создание новых материалов
Направленный дизайн структуры и межмолекулярного взаимодействия дает возможность получать вещества с нужными свойствами.
Понимание биологических систем
Межмолекулярные взаимодействия лежат в основе процессов самоорганизации и функционирования живых организмов.
