Межмолекулярные взаимодействия (ММВ). Силы Ван-дер-Ваальса. Потенциальные кривые Леннарда-Джонса. Типы межмолекулярных взаимодействий. Эффекты Кеезома, Дебая и Лондона

Межмолекулярные взаимодействия (ММВ):

Межмолекулярные взаимодействия - взаимодействия молекул между собой, не приводящие к разрыву или образованию новых химических связей. Межмолекулярные взаимодействия определяют отличие реальных газов от идеальных, существование жидкостей и молекулярных кристаллов. От межмолекулярных взаимодействий зависят многие структурные, спектральные, термодинамические, теплофизические и другие свойства веществ.

Силы Ван-дер-Ваальса:

Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10 — 20 кДж/моль. Этим термином первоначально обозначались все такие силы, в современной науке он обычно применяется к силам, возникающим при поляризации молекул и образовании диполей.

Ван-дер-Ваальсовы силы межатомного взаимодействия инертных газов обусловливают возможность существования агрегатных состояний инертных газов (газ, жидкостьи твёрдые тела).

К ван-дер-ваальсовым силам относятся взаимодействия между диполями (постоянными и индуцированными). Название связано с тем фактом, что эти силы являются причиной поправки на внутреннее давление в уравнении состояния реального газа Ван-дер-Ваальса. Эти взаимодействия в основном определяют силы, ответственные за формирование пространственной структуры биологических макромолекул.

Ван-дер-ваальсовы силы также возникают между частицей (макроскопической частицей или наночастицей) и молекулой и между двумя частицами.

Ван-дер-ваальсовое взаимодействие состоит из трех типов слабых взаимодействий:

· Ориентационные силы, диполь-дипольное притяжение. Осуществляется между молекулами, являющимися постоянными диполями. Примером может служить HCl в жидком и твердом состоянии. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния между диполями.

· Дисперсионное притяжение (лондоновские силы). Взаимодействием между мгновенным и наведенным диполем. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

· Индукционное притяжение. Взаимодействие между постоянным диполем и наведенным (индуцированным). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

Потенциальные кривые Леннарда-Джонса:

Потенциал Леннард-Джонса (потенциал 6-12) — простая модель парного взаимодействия неполярных молекул, описывающая зависимость энергии взаимодействия двух частиц от расстояния между ними. Эта модель достаточно реалистично передаёт свойства реального взаимодействия сферических неполярных молекул и поэтому широко используется в расчётах и при компьютерном моделировании.

Типы межмолекулярных взаимодействий:

· Электростатическое межмолекулярное взаимодействие (Она же Силы Ван-Дер-Ваальса)

· Донорно-акцепторное межмолекулярное взаимодействие

Возникает за счет электронной пары одной молекулы и свободной орбитали другой. Это взаимодействие проявляется в первичных актах многих химических реакций, лежит в основе каталитических процессов, обусловливает сольватацию молекул и ионов в растворах, может приводить к образованию новых соединений.

За счет данного типа взаимодействия может образоваться межмолекулярный комплекс. Оно также часто вызывает переход вещества из газового в жидкое и твердое агрегатное состояния.

Энергия межмолекулярного донорно-акцепторного взаимодействия колеблется в широком интервале от 6 до 12 кДж/моль, что близко к энергии ван-дер-ваальсова взаимодействия, до 200—250 кДж/моль — значения, сопоставимого с энергией ковалентных связей.

Эффект Кеезома:

Ориентационный эффект (эффект Кеезома) действует между молекулами, имеющими собственный дипольный момент, с ростом температуры эффект уменьшается и сильно падает с ростом расстояния между молекулами, зависит от дипольного момента

Эффект Дебая:

Закон теплоемкости Дебая используют для оценочных расчетов теплоемкости, теплопроводности, электропроводностивеществ, рассеяния излучений веществами при низких температурах порядка 0 - 100 К. Для проведения таких расчетов для каждого вещества подобрана по сопоставлению с экспериментальными данными своя температура Дебая, она обычно приводится в справочниках.

Теплоемкость CV(T) моля вещества как функция температуры T вычисляется как интеграл.Закон теплоемкости Дебая используют для оценочных расчетов теплоемкости, теплопроводности, электропроводности веществ, рассеяния излучений веществами при низких температурах порядка 0 - 100 К. Для проведения таких расчетов для каждого вещества подобрана по сопоставлению с экспериментальными данными своя температура Дебая, она обычно приводится в справочниках.

Закон теплоемкости Дебая используют для технических расчетов в криогенной технике (устройств для хранения и транспортировки сжиженных газов, устройств для охлаждения до низких температур). Из закона теплоемкости Дебая следует, что при низких температурах теплоемкость мала, поэтому малые количества тепла, сообщенные системе, приводят к большим изменениям температуры входящих в систему тел. Из-за этого в системе возникают большие температурные напряжения, которые надо учитывать при проектировании технических систем.

Эффект Лондона:

Сущность эффекта Лондона заключается в том, что электроны в атомах и молекулахможно уподобить колеблющимся около ядра частицам — осцилляторам. Любойосциллятор, согласно современным квантово-механическим представлениям, даже приабсолютном нуле температуры совершает так называемые нулевые колебания сэнергией e=hn₀/2, где n₀ - частота колебанийосциллятора. При сближении двух осцилляторов и их ориентации в такт происходитнечто подобное соединению двух маятников упругой нитью: из двух колебанийосцилляторов с частотами n₀ возникаютдва близких к ним счастотами n₁>n₀ и n₂<n₀.