Межмолекулярные силы — это взаимодействия, которые происходят между молекулами или частицами, и они играют ключевую роль в определении физических и химических свойств веществ.
Эти силы можно классифицировать на несколько типов:
- Водородные связи.
- Дисперсионные силы.
- Диполь-дипольные взаимодействия.
Водородные связи возникают, когда водород, связанный с высоко электро негативным атомом (например, кислородом или азотом), взаимодействует с другим атомом. Эти связи значительно усиливают устойчивость молекул воды и многих органических соединений.
Дисперсионные силы, хотя и относительно слабы, присутствуют во всех молекулах и возрастают с увеличением массы молекул. Они важны для объяснения свойств инертных газов и алканов.
Диполь-дипольные взаимодействия возникают между полярными молекулами, влияя на их физические свойства, такие как кипящая и плавящаяся температура.
Рис. Взаимодействие полярных молекул
Межмолекулярные силы
Между любыми двумя молекулами, так же как и между атомами, действуют электрические силы, называемые силами межмолекулярного взаимодействия.
Они обусловливают явление адсорбции, изменение агрегатного состояния вещества, играют большую роль в каталитических процессах.
Межмолекулярные силы имеют электростатическую природу. Они складываются из сил отталкивания и притяжения.
Отталкивание определяется взаимодействием электронных облаков различных молекул, а притяжение связано с их дипольными моментами и поляризуемостью.
Межмолекулярные силы являются короткодействующими и очень быстро ослабляются с увеличением расстояния между частицами, причем отталкивание спадает гораздо быстрее притяжения.
Различают три вида межмолекулярных сил, имеющих по существу одну и ту же природу — дипольные, индукционные и дисперсионные силы.
При сближении полярных молекул происходит их взаимная ориентация: одноименно заряженные концы диполей взаимно отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются (рис.).
Поскольку одноименные полюса находятся друг от друга дальше, чем разноименные, то взаимное притяжение преобладает над отталкиванием.
Взаимодействие, обусловленное ориентацией полярных молекул, называется ориентационным, а силы, определяющие это взаимодействие,— дипольными силами.
Чем более полярными являются молекулы, тем сильнее они притягиваются друг к другу и тем больше ориентационное взаимодействие.
Тепловое движение молекул уменьшает возможность ориентации, поэтому дипольные силы ослабляются с повышением температуры.
Рис. 2. Природа дисперсионных сил
Одновременно с ориентацией происходит дополнительная поляризация полярных молекул.
Возникающие при этом наведенные диполи взаимодействуют друг с другом так же, как и постоянные, что приводит к появлению индукционных сил.
Наложение индукционного взаимодействия на ориентационное увеличивает дипольные моменты молекул и ведет к усилению межмолекулярных сил.
В отличие от ориентационного индукционное взаимодействие не зависит от температуры. Оно может происходить также между полярной и неполярной молекулами.
В этом случае в неполярной молекуле первоначально возникает индуцированный диполь, который затем взаимодействует с постоянным диполем полярной молекулы.
Гораздо труднее объяснить природу дисперсионных сил, действующих между неполярными частицами. Рассмотрим случай одноатомных сферически симметричных молекул благородных газов.
Вследствие непрерывного движения электронов в каждой молекуле в любой момент времени существует небольшая деформация электронного облака, нарушающая симметрию в распределении зарядов.
Появляющиеся в результате этого мгновенные диполи взаимодействуют друг с другом, что способствует сближению молекул.
По мере сближения частиц появление и исчезновение мгновенных диполей перестает быть независимым и начинает происходить в такт друг другу (рис. 2).
Все рассмотренные выше виды межмолекулярных сил часто называют силами Ван-дер-Ваальса в честь голландского ученого Яна Дидерика Ван-дер-Ваальса.
Который впервые ввел представление об этих силах для выражения различия в поведении реального и идеального газов.
Межмолекулярным силам соответствует незначительная энергия связи, не превышающая обычно 15—20 кдж/моль, в то время как энергия химической связи может достигать 1000 кдж/моль.
Вывод
Межмолекулярные силы играют ключевую роль в разнообразии физических и химических процессов.
От взаимодействия молекул зависит множество явлений, включая агрегатное состояние веществ, адсорбцию и каталитические реакции.
Эти силы, хоть и имеют относительно низкую энергию связи, обеспечивают необходимую стабильность и структуру веществ, формируя тем самым их уникальные свойства.
Понимание природы межмолекулярных сил, таких как дипольные, индукционные и дисперсионные, позволяет более глубоко осознать химические и физические процессы, происходящие в природе.
Это знание открывает новые горизонты в исследовательской деятельности и разработке новых материалов и технологий.
Вклад Яна Дидерика Ван-дер-Ваальса в изучение этих сил остается актуальным и востребованным в современных научных кругах.
Исследование межмолекулярных взаимодействий продолжает развиваться, что, в свою очередь, приводит к открытиям в области химии, физики и материаловедения, укрепляя нашу связь с молекулярным миром.
Статья на тему Межмолекулярные силы