Межмолекулярное взаимодействие в химии

Меймолекулярное взаимодействие — это электростатическое взаимодействие между электрически нейтральными молекулами или атомами, не приводящее к образованию ковалентных связей, определяющее свойства реальных газов, жидкостей и молекулярных кристаллов.

• Ван-дер-Ваальсовы силы: Это силы, действующие между нейтральными молекулами, которые были описаны в 1873 году.
• Потенциал Леннарда-Джонса: Это функция, описывающая межмолекулярное взаимодействие, характеризуемая параметрами ε — глубина ямы и σ — минимальное расстояние.
• Водородная связь: Это специфический тип межмолекулярного взаимодействия, возникающий между молекулами, содержащими водород, связанный с электроотрицательными атомами.

Электростатическая природа межмолекулярных взаимодействий

Межмолекулярные взаимодействия играют ключевую роль в формировании физических и химических свойств веществ. Они имеют электростатическую природу и возникают из-за постоянных или индуцированных дипольных моментов. Основная механика этих взаимодействий включает три типа: ориентационное (диполь-дипольное), индукционное (поляризационное) и дисперсионное (лондоновское).

Ориентационное взаимодействие происходит между полярными молекулами, где положительные и отрицательные концы диполей притягиваются друг к другу. Индукционное взаимодействие возникает, когда полярная молекула поляризует неполярную, создавая временный диполь. Дисперсионное взаимодействие обусловлено флуктуациями электронного облака в неполярных молекулах, что приводит к мгновенным диполям. Сила этих взаимодействий убывает с расстоянием: притяжение уменьшается как

, а отталкивание — как , что описывается потенциалом Леннарда-Джонса.

Классификация межмолекулярных взаимодействий

• Ориентационное (Кизар–диполь-дипольное) — происходит между полярными молекулами и характеризуется энергией взаимодействия от 5 до 25 кДж/моль.
• Индукционное — взаимодействие между полярной и неполярной молекулами, приводящее к временной поляризации.
• Дисперсионное — возникает между неполярными молекулами, с энергией взаимодействия от 0.05 до 40 кДж/моль.
• Водородная связь — особый сильный тип диполь-дипольного взаимодействия, возникающий между атомами водорода и атомами кислорода, азота или фтора, с энергией от 10 до 40 кДж/моль.

Этапы взаимодействия включают: флуктуацию, индукцию диполя, притяжение на близких расстояниях и отталкивание при r < σ.

Практическое применение межмолекулярных взаимодействий

Межмолекулярные взаимодействия оказывают значительное влияние на физические свойства веществ, такие как температура кипения, растворимость и вязкость. Например, температура кипения различных веществ зависит от наличия водородных связей: HF > H2O > NH3 > CH4. Эти взаимодействия также играют важную роль в супрамолекулярной химии, формировании комплексов с переносом заряда и адсорбентов.

Частые вопросы

В чем разница между межмолекулярными взаимодействиями и ковалентными/ионными связями?

Межмолекулярные взаимодействия слабее ковалентных и ионных связей и не изменяют электронную структуру молекул.

Какова роль дисперсионных сил в полярных молекулах?

Дисперсионные силы могут вносить до 14–40% вклада в общую силу взаимодействия полярных молекул, что важно учитывать.

Почему игнорирование межмолекулярных взаимодействий приводит к ошибкам в понимании макросвойств?

Макросвойства, такие как температура кипения и растворимость, объясняются именно межмолекулярными взаимодействиями, а не массой молекулы.