Вандерваальсовы силы

Образование водородной связи

Очевидно, что молекулы воды образованы ковалентной полярной химической связью, поскольку электроотрицательность кислорода больше, чем у водорода. Поэтому атом кислорода в молекуле воды несет в себе небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода — небольшие положительные заряды.

Подобные молекулы называются полярными, поскольку они ведут себя как крошечные электрические диполи; другими словами, отрицательный заряд на атоме кислорода притягивает расположенные поблизости положительные заряды, а положительно заряженные атомы водорода притягивают другие отрицательные заряды. Так возникает еще один тип сил притяжения между молекулами, помимо вандерваальсовых сил притяжения. Вследствие наличия дополнительных сил взаимодействия между полярными молекулами метанола CH3OH (метилового спирта) он плавится и кипит при гораздо более высоких температурах, чем метан CH4, который имеет сходные с метанолом размеры молекул. При комнатной температуре метанол представляет собой жидкость, а метан — газ. В воде силы притяжения между атомами водорода и кислорода, принадлежащими различным молекулам, столь велики, что получили название водородных связей. Водородные связи играют чрезвычайно важную роль в белках и других гигантских молекулах, из которых построены живые организмы. Если бы не полярность молекул воды и наличие между ними водородных связей, вода плавилась бы и кипела при более низких температурах, чем даже сероводород (см. табл. в начале урока). При комнатной температуре она находилась бы в газообразном состоянии, а не в виде наиболее распространенной на Земле жидкости.

Надеюсь урок 4 «Взаимодействие молекул» был познавательным и понятным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Лондонская дисперсионная сила [ править ]

Лондонские дисперсионные силы, названные в честь немецко-американского физика Фрица Лондона , представляют собой слабые межмолекулярные силы , возникающие из взаимодействующих сил между мгновенными мультиполями в молекулах без постоянных мультипольных моментов . Внутри органических молекул и между ними множество контактов может привести к большему вкладу дисперсионного притяжения, особенно в присутствии гетероатомов. Лондонские дисперсионные силы также известны как ` ` дисперсионные силы ».силы »,« силы Лондона »или« мгновенные дипольные дипольные силы ». Сила лондонских дисперсионных сил пропорциональна поляризуемости молекулы, которая, в свою очередь, зависит от общего числа электронов и площади, по которой они распределены. Углеводороды демонстрируют небольшой вклад в дисперсию, присутствие гетероатомов приводит к увеличению сил LD в зависимости от их поляризуемости, например, в последовательности RI> RBr> RCl> RF. В отсутствие растворителей за счет дисперсионных сил образуются кристаллы слабополяризуемых углеводородов; их теплота сублимации является мерой дисперсионного взаимодействия.

первопричина

Лондонское дисперсионное взаимодействие также происходит между неполярными микрочастицами ( атомами , молекулами благородных газов ), если они поляризуемы , и приводит к слабому притяжению этих микрочастиц.

Электроны в крошечной частице ( атоме ) могут двигаться только в определенных пределах, что приводит к постоянно изменяющемуся распределению заряда в крошечной частице. Как только центр тяжести положительных зарядов пространственно отделен от центра тяжести отрицательных зарядов, можно говорить о диполе , потому что есть два ( ди- , от греческого δίς «дважды») электрических полюса. Однако отдельные неполярные молекулы можно назвать только временными диполями, потому что их полярность зависит от распределения электронов, которое постоянно меняется. (В полярных молекулах, с другой стороны, дипольное свойство является постоянным из-за электроотрицательности атомов и пространственной структуры, поэтому они называются постоянными диполями или диполями в более узком смысле.)

Если две неполярные молекулы приближаются друг к другу достаточно долго (то есть с низкой относительной скоростью), то они вступают в электростатическое взаимодействие друг с другом.

Если, например, частица A показывает сильно отрицательно заряженную сторону соседу B, то электроны соседа B (со стороны, обращенной к нему) отталкиваются. Вот так диполи выравниваются друг с другом. Такой сдвиг заряда через электрическое поле называется влиянием . Это означает, что отрицательный полюс временного диполя влияет на положительный полюс, противоположный соседней молекуле. Таким образом, частица B становится диполем «под влиянием». В специальной литературе это называется «индуцированный диполь» (латинское « Inducere» : (вводить)).

Между первоначальным временным диполем и индуцированным диполем возникают силы Ван-дер-Ваальса. Отныне диполи влияют друг на друга, их электронные сдвиги синхронизированы.

Если два атома или молекулы подходят достаточно близко, может возникнуть одна из следующих ситуаций.

  • Встречаются два временных диполя: частицы притягиваются друг к другу.
  • Временный диполь встречает частицу без дипольного момента: диполь индуцирует выпрямленный дипольный момент в недиполе, что снова создает силу притяжения между двумя частицами.

Энергия связи Ван-дер-Ваальса : 0,5–5 кДж / моль (соответствует 5–50 мэВ / молекула).

Квантово-механическое рассмотрение

Однако в приведенном выше описании электроны рассматриваются как классические частицы, и знания квантовой механики не принимаются во внимание. В квантово-механической модели атома электрон описывается стационарной волновой функцией , квадрат которой всегда остается неизменным в определенной точке атома

Первоначально это наводит на мысль, что электрон ведет себя как классическое расширенное распределение заряда с плотностью заряда, которая определяется произведением заряда электрона и квадрата величины волновой функции:
ψ(р→){\ displaystyle \ psi ({\ vec {r}})}

ρ(р→)знак равно-е|ψ(р→)|2{\ displaystyle \ rho ({\ vec {r}}) = — e | \ psi ({\ vec {r}}) | ^ {2}}

Соответственно, распределение заряда было бы неизменным, и самопроизвольное появление временных диполей было бы невозможным. Так как он обычно осесимметричен относительно ядра атома, дипольный момент, например, атома благородного газа всегда будет равен нулю.
|ψ(р→)|2{\ displaystyle | \ psi ({\ vec {r}}) | ^ {2}}

При более внимательном рассмотрении квантовомеханического оператора плотности заряда

ρ^(р→)знак равно-еδ(р→-р→′){\ Displaystyle {\ шляпа {\ rho}} ({\ vec {r}}) = — е \ дельта ({\ vec {r}} — {\ vec {r}} ‘)}

где — оператор положения электрона, это оказалось ошибкой. Электрон ведет себя не как расширенное распределение заряда, а как точечный заряд, местоположение которого не определено, поскольку присутствие другого атома / молекулы приводит к постоянным «измерениям положения». Для ожидаемого значения плотности заряда фактически получается
р→′{\ displaystyle {\ vec {r}} ‘}

⟨ψ|ρ^(р→)|ψ⟩знак равно-е|ψ(р→)|2{\ Displaystyle \ langle \ psi | {\ шляпа {\ rho}} ({\ vec {r}}) | \ psi \ rangle = -e | \ psi ({\ vec {r}}) | ^ {2} }

однако это не собственное значение оператора плотности заряда. Плотность заряда имеет некоторую размытость, что приводит к тому, что с определенной вероятностью центр тяжести распределения электронного заряда находится не в ядре атома и, таким образом, возникает дипольный момент. Таким образом, силы Ван-дер-Ваальса можно понять в картине квантовой механики.

Классификация вандерваальсовых сил

Вандерваальсово взаимодействие состоит из трёх типов слабых электромагнитных взаимодействий:

  • Ориентационные силы, диполь-дипольное притяжение. Осуществляется между молекулами, являющимися постоянными диполями. Примером может служить HCl в жидком и твёрдом состоянии. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния между диполями.
  • Дисперсионное притяжение (лондоновские силы, дисперсионные силы). Обусловлены взаимодействием между мгновенным и наведённым диполем. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.
  • Индукционное притяжение (поляризационное притяжение). Взаимодействие между постоянным диполем и наведённым (индуцированным). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

До сих пор многие авторы исходят из предположения, что вандерваальсовы силы определяют межслоевое взаимодействие в слоистых кристаллах, что противоречит экспериментальным данным: масштабу анизотропии температуры Дебая и, соответственно, масштабу анизотропии решёточного отражения. Исходя из данного ошибочного предположения построены многие двумерные модели, «описывающие» свойства, в частности графита и нитрида бора.

В последнем случае действуют так называемые силы Казимира и Казимира — Лифшица.