Межмолекулярное взаимодействие при растяжении

Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между молекулами и/или атомами, не приводящее к образованию ковалентных (химических) связей.

Межмолекулярное взаимодействие имеет электростатическую природу. Предположение о его существовании было впервые использовано Я. Д. Ван-дер-Ваальсом в 1873 году для объяснения свойств реальных газов и жидкостей. В наиболее широком смысле под ним можно понимать такие взаимодействия между любыми частицами (молекулами, атомами, ионами), при которых не происходит образования химических, то есть ионных, ковалентных или металлических связей. Иными словами, эти взаимодействия существенно слабее ковалентных и не приводят к существенной перестройке электронного строения взаимодействующих частиц.

На больших расстояниях преобладают силы притяжения, которые могут иметь ориентационную, поляризационную (индукционную) и дисперсионную природу (см. подробнее в статьях Силы Ван-дер-Ваальса и Дисперсионные силы). При усреднении по вращению частиц, происходящему вследствие теплового движения, потенциал межмолекулярных сил обратно пропорционален шестой степени расстояния, а ион-дипольных (как с постоянным, так и с наведенным диполем) — четвёртой степени. На малых расстояниях начинают преобладать силы отталкивания электронных оболочек частиц. Особым случаем является водородная связь — возникающее на малом расстоянии взаимодействие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом другой, когда эти атомы несут достаточно большой эффективный заряд.

Упаковку частиц и расстояние между ними в конденсированной фазе, определяющиеся равновесием между притяжением и отталкиванием, можно предсказать, исходя из ван-дер-ваальсовых радиусов составляющих молекулы атомов (ионных в случае ионов): расстояния между атомами разных молекул не должны превышать суммы радиусов этих атомов. Для моделирования межмолекулярных взаимодействий используют эмпирические потенциалы, среди которых наиболее известны потенциалы Леннард-Джонса (отталкивание описывается двенадцатой степенью обратного расстояния, притяжение — шестой) и Бакингема (с более физически обоснованным экспоненциальным отталкиванием), из которых первый более удобен для расчетов. В конденсированной фазе, где мультипольное разложение для молекул плохо применимо из-за близости молекул друг к другу, может применяться метод атом-атомных потенциалов, основанный на тех же потенциалах, но уже для парных взаимодействий атомов и с добавкой кулоновских членов, описывающих взаимодействие их эффективных зарядов.

Межмолекулярное взаимодействие, водородная связь[править | править код]

Дипольная молекула создает вокруг себя электростатическое поле и ориентирует остальные диполи системы, что приводит к снижению энергии. Рассчитанная П.Кизомом средняя энергия ориентационного диполь-дипольного взаимодействия между полярными молекулами составляет:

(формула 1) где — дипольный момент молекулы; r — расстояние между центрами молекул; k — константа Больцмана; T — температура по Кельвину.

Множитель (kT) в знаменателе отражает влияние флуктуации на ориентацию диполей вследствие теплового движения, которое возрастает с увеличением температуры. Кроме ориентационного, следует учитывать индукционный эффект (), то есть взаимодействие диполя с приведенным диполем, который, соответственно с П.Дебаем, равен:

(формула 2)

Ориентационные и индукционные силы возникают между полярными молекулами и не могут объяснить межмолекулярное взаимодействие между неполярными. Учитывание так сказать слабой квадруполь-квадруполь взаимодействия не решает проблему, тем более, что молекула типа и атомы инертных газов не имеют вообще квадрупольного момента (отметим, что квадрупольный момент (без дипольного) имеют молекулы типа квадруполями можно считать двухатомные гомоядерные молекулы — и т.д.).

Природа межмолекулярных сил в неполярных системах была определена Ф.Лондоном с помощью квантовой механики. Можно сказать лишь, что учитывание корреляции во время движения атомных электронов приводит к снижению энергии. Если движение электронов в разных атомах скоррелировано, то это также способствует снижению энергии. Атомы с подвижными электронами можно считать диполями, которые осциллируют с некоторой частотой . При синхронном движении электронов мгновенные диполи ориентируются всегда так, что это приводит к снижению энергии:

(формула 3)

Заменив на , где — энергия ионизации молекулы (атома), получим:

(формула 4) Эту формулу можно получить более последовательно (не применяя модель осциллирующих диполей) на основе теории возмущений.

Дж.Слетер и Дж.Кирквуд для взаимодействия многоэлектронных атомов вывели следующую формулу:

(формула 5) где N — количество электронов на внешней оболочке; m — масса электрона; е — его заряд.

Формулы (3) и (5) совпадают при N=1, если вместо подставить его выражение: Из приведенных формул можно сделать вывод о том, что основная характеристика, которая определяет величину сил Лондона, — это поляризованность () атомов (молекул). В связи с тем, что поляризованность тесно связана с коэффициентом преломления света и характеризует способность вещества к рассеиванию энергии (дисперсии) света, силы Лондона часто называют дисперсионными ().

Поляризованность зависит от размера частички, поэтому прочность молекулярных решеток должна возрастать с увеличением размеров атомов и молекул, которые взаимодействуют. Эта закономерность хорошо иллюстрируется увеличением температур кипения (аналогические зависимости наблюдаются для теплот и температур плавления, сублимации, испарения и т.д., то есть для величин, которые зависят от прочности молекулярных связей) в группе инертных газов в гомологическом ряду парафинов.

Атом Гелия настолько мал и дисперсионные силы при взаимодействии атомов Гелия такие слабые, что Гелий не может существовать в кристаллическом состоянии даже при обычном давлении и 0К. Причина этого — существование нулевой кинетической энергии, которая для гелия больше, чем энергия связи. Наличие кинетической энергии ядер в связанных атомах (при 0К) является следствием соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Энергия связи для гелия кДж/моль, где m — масса атома Гелия.

Поэтому, и кристаллическое состояние не может реализоваться даже при 0К. Лишь при большом внешнем давлении гелий может перейти в кристаллическое состояние.

Все межмолекулярные взаимодействия (их часто объединяют общим названием — взаимодействие Ван дер Вальса) можно выразить в таком виде:

Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия делают разный вклад в энергию связи. Для атомов и неполярных молекул и равны нулю и остается только дисперсионное взаимодействие. Вклад ориентационных и индукционных сил увеличивается с ростом дипольного момента молекул. В молекуле (1D-дебай= Кл * м) вносит 0,005%, а — 14,4%, — 4,2%; В — 3,3%, — 2,2%; — 14,4%, — 4,2%.

Благодаря приведенным формулам можно сделать вывод, что даже для очень полярных молекул дисперсионное взаимодействие делает огромный вклад.

См. также[править | править код]

Силы Ван-дер-Ваальса
Межатомное взаимодействие

Литература[править | править код]

[www.xumuk.ru/encyklopedia/2477.html Межмолекулярные взаимодействия] // Химическая энциклопедия. Т. 3. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. С. 12-15.
Маррел Дж., Кеттл С., Теддер Дж. Химическая связь / Пер. с англ. С. В. Христенко. Под ред. И. В. Александрова. — М.: Мир, 1980.— 382 с.
Бараш Ю. С. «Силы Ван-дер-Ваальса» М.: Наука, 1988. 344с.
Каплан И. Г. «Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий» М.: Наука, 1982. 312с.
Каплан И. Г. Межмолекулярные взаимодействия. Физическая интерпретация, компьютерные расчеты и модельные потенциал М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 400 с. ISBN 978-5-94774-939-7
«Межмолекулярные взаимодействия; от двухатомных молекул до биополимеров» Пюльман Б. (ред) Пер. с англ., М.: Мир, 1981. — 592с.
Израелашвили Дж. Межмолекулярные и поверхностные силы. М.: Научный мир, 2011. — 456 с. ISBN 978-5-91522-222-8

Ссылки[править | править код]

Межмолекулярное взаимодействие в ФЭ
[www.xumuk.ru/bse/1603.html Межмолекулярное взаимодействие] в БСЭ

Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист.

Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым).

Список проблемных доменов

Источник

Глава III. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ К ИДЕАЛЬНЫМ ГАЗАМ

§ 26. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ

Молекулярная теория основывается главным образом на трех основных положениях: 1) всякое вещество состоит из молекул,

2) молекулы находятся в непрерывном (тепловом) движении,

3) существует межмолекулярное взаимодействие. Перечисленные исходные положения теории являются обобщением результатов наблюдений и экспериментов над газами, жидкостями и твердыми телами.

Под воздействием внешних сил или при изменении температуры объем тел изменяется, что объясняется их дискретным строением (уменьшение объема связано со сближением частиц вещества). Особенно убедительным в этом отношении является эксперимент со смесью воды и спирта (рис. 3.1). Нижняя половина стеклянной мензурки заполняется водой, верхняя — подкрашенным спиртом (рис. 3.1, а). Плотно закрыв отверстие мензурки и перевернув ее несколько раз, перемешивают жидкости и получают однородную смесь спирта с водой, объем которой меньше суммы исходных объемов спирта и воды (рис. 3.1, б; — понижение уровня жидкостей при их смешивании). Результаты опыта объясняются тем, что при образовании смеси спирта и воды их молекулы перемешиваются, и вследствие проявления более значительных сил взаимодействия между разнородными молекулами молекулы сближаются и свободный объем смеси уменьшается. (Свободный объем — это объем, в котором движутся центры масс молекул.)

Рис. 3.1.

Межмолекулярные взаимодействия особенно ясно проявляются в упругости твердых тел при их деформации под действием внешних сил. При сжатии твердых тел проявляются межмолекулярные силы отталкивания, препятствующие уменьшению расстояний между частицами, и, наоборот, при растяжении обнаруживаются силы, препятствующие растяжению (увеличению межмолекулярных расстояний), т. е. силы межмолекулярного притяжения.

Тепловое движение проявляется в диффузии во взаимном проникновении веществ, приведенных в непосредственный контакт Диффузия наблюдается в газах, жидкостях и твердых телах. На иболее медленно она протекает в твердых телах. Удалось, например наблюдать, что свинец и золото, приведенные в соприкосновен друг с другом и остававшиеся в таком виде оченьдолгое время, взаимно диффундировали: пограничный тонкий слой представлял собой как бы сплав двух металлов. С молекулярной точки зрения диффузия объясняется проникновением молекул одного вещества другое вследствие теплового движения молекул и существования между ними промежутков.

Особое место в обосновании молекулярно-кинетической теории занимает так называемое броуновское (правильнее брауновское движение — движение взвешенных частиц вещества в жидкостях газах. Это явление было впервые подробно изучено Р. Брауно (1827 г., Англия) и известно учащимся из курса средней школь: Подробнее оно будет рассмотрено в § 36, здесь же только напомнил, что движение броуновских частиц наблюдается под микроскопок. и объясняется различием в силе ударов молекул по частице с равных сторон.

Согласно определению молекула — это наименьшая частицг вещества, сохраняющая все его химические свойства. Сами молекулы состоят из более простых частиц — атомов. Существуют

Рис. 3.2.

одноатомные молекулы, к ним относятся прежде всего молекулы инертных газов. В настоящее время известно 105 видов атомов различных химических элементов, в природе их встречается всего только 88, а остальные получены искусственным путем. Комбинации сравнительно небольшого числа атомов химических элементов образуют большое разнообразие веществ как природных, так и получаемых искусственно.

Строение молекул характеризуется средними расстояниями между центрами атомов в молекуле и углами, которые образуют прямые, проходящие через различные пары атомов. В качестве примера на рисунке 3.2 показана структура некоторых простейших молекул, установленная главным образом по их спектрам излучения. (На этом рисунке расстояния между атомами указаны в нанометрах:

Источник

Введение

Центральным понятием химии является химическая связь. Связи в молекулах органических веществ бывают ионными и ковалентными. Но помимо них существуют и другие формы взаимодействия, которые сильно влияют на физические свойства и реакционную способность веществ.

Цель:рассмотреть слабые межмолекулярные взаимодействия в органических соединениях.

Задачи:

1. Что такое межмолекулярные взаимодействия в органических соединениях.

2. Рассмотреть виды слабых межмолекулярных взаимодействий.

3. Привести примеры таких взаимодействий.

4. Сделать вывод о том, как влияют слабые межмолекулярные взаимодействия на химические и физические свойства органических соединений.

Понятие о межмолекулярном взаимодействии

МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ — взаимодействие молекул между собой, не приводящее к разрыву или образованию новых химических связей. Межмолекулярное взаимодействие определяет отличие реальных газов от идеальных, существование жидкостей и молекулярных кристаллов. От межмолекулярного взаимодействия зависят многие структурные, спектральные, термодинамические, и другие свойства веществ. Появление понятия межмолекулярного взаимодействия связано с именем Й. Д. Ван-дер-Ваальса. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия часто называют ван-дер-ваальсовыми.

Виды межмолекулярных взаимодействий

1. Электростатические силы притяжения и силы отталкивания) — взаимодействие нейтральных молекул. Электростатическое притяжение между ядрами одной молекулы и электронами другой частично компенсируются взаимным отталкиванием ядер и электронов обеих молекул. Действуют на близком расстоянии (0.3-0.5) нм и быстро ослабевают при удалении молекул друг от друга. Межмолекулярное электростатическое притяжение называют силами Ван — дер — Ваальса. Они имеют ряд отличий от химических связей, так ка они: электрической природы; слабые; проявляются на больших расстояниях; ненасыщаемы. Электростатическое притяжение характеризуется тремя типами межмолекулярного взаимодействия:

1.1 Ориентационное (или диполь-дипольное) взаимодействие – характеризуется взаимной ориентацией разноименнозаряженных полюсов полярных молекул при их приближении друг к другу Энергия такого взаимодействия определяется электрическим дипольным моментом молекул. Чем выше дипольный момент и меньше расстояние между молекулами, тем больше энергия взаимодействия.

1.2 Поляризационное (индукционное) взаимодействие– Обусловлено электростатическим взаимодействием полярной и неполярной молекул. Полярная молекула своим полем воздействует на неполярную, в результате чего появляется наведенный (индуцированный) диполь, способный притягиваться к диполю полярной молекулы. Индуцированный диполь усиливает дипольный момент полярной молекулы. Энергия такого взаимодействия определяется электрическим диполем полярной молекулы и поляризуемостью неполярной молекулы.

1.3 Дисперсионное взаимодействие – появляется, как результат притяжения мгновенных диполей (микродиполей). Такие диполи появляются, если не совпадают электрические центры тяжести электронного облака и ядер, что вызвано их независимыми колебаниями. Одновременное появление и исчезновение микродиполей молекул сопровождается их притяжением. Если синхронность отсутствует, происходит отталкивание. Дисперсионное взаимодействие может проявляться между любыми молекулами, а потому является универсальным.

2. Водородная связь (Н-связь)– возникает между двумя электроотрицательными атомами через атом водорода. Ее суть. Атом водорода, ковалентно связанный с электроотрицательным атомом, несет относительно высокий положительный заряд и электростатически притягивается электроотрицательным атомом другой молекулы с образованием водородной связи. Н-связи характерны для групп типа: –ОН, -NH (например, целлюлоза и биополимер хитозан) и др. Для образование водородной связи электроотрицательные атомы должны сблизиться на определенное расстояние порядка (0.25 – 0.30) нм. По энергии водородные связи условно подразделяют на «слабые» (<15 кДж/моль), “средние” (15 – 30 кДж/моль) и «сильные» (до 60 – 80 кДж/моль). В органических соединениях Н-связи обычно относятся к слабым и средним. Водородные связи легко возникают и легко разрываются при комнатной температуре вследствие своей непрочности. Межмолекулярные водородные связи приводят к изменению некоторых свойств веществ. Повышаются: вязкость вещества; температура кипения и плавления; теплоты плавления и парообразования; диэлектрическая постоянная.

Примеры межмолекулярных взаимодействий в органических соединениях.

1) Пример а — внутри- и б- межмолекулярных водородных связей в целлюлозе

2) Индукционное взаимодействие:

3) Ориентационное (или диполь-дипольное) взаимодействие:

4) Дисперсионное взаимодействие:

Вывод

В данном реферате я изучила явление межмолекулярного взаимодействия, рассмотрела виды межмолекулярного взаимодействия. Выяснила, как влияют межмолекулярные взаимодействия на физические свойства соединений, например, диполь-дипольное притяжение обусловливает втягивание молекул воды с поверхности внутрь жидкости. Это объясняет существование вогнутого мениска воды в стеклянном стакане, а также сферическую форму капель воды. Водородная связь в некоторых соединениях объясняет аномально высокие значения их температур плавления и кипения. Ярким примером индукционного влияния у спиртов служит различие свойств триметилкарбинола и трифторметилдиметилкарбинола:

В то время как первый представляет собой один из наименее кислых спиртов, второй является кислотой, вытесняющей угольную кислоту из ее солей. Ван-дер-ваальсовы силы оказывают значительное влияние на многие физические свойства веществ (теплоту испарения жидкости либо теплоту возгонки кристалла, температуры плавления и кипения), а также на количественные характеристики некоторых химических реакций: тепловой эффект и энергию активации (температура активации либо минимальная для активизации реакции частота излучения) образования и диссоциации молекулярных комплексов, молекул и сложных ионов.

Литература

1. https://benschoolcountry.grodno.unibel.by/general_and_inorganic_chemistry/page29.html

2. https://www.xumuk.ru/encyklopedia/2477.html

3. https://helpiks.org/6-37823.html

4. https://studfiles.net/preview/4246206/page:4/

5. https://him.1september.ru/article.php?id=200003301

6. https://textarchive.ru/c-2121317-p2.html

7. https://spravochnick.ru/himiya/vnutri-_i_mezhmolekulyarnye_vzaimodeystviya/vidy_mezhmolekulyarnyh_sil_prityazheniya/

8. https://www.himikatus.ru/art/ch-act/0116.php

9. https://www.xumuk.ru/organika/37.html

10. https://benschoolcountry.grodno.unibel.by/general_and_inorganic_chemistry/page29.html