Вклад отдельных составляющих в энергию межмолекулярного
Вещество | Электрический момент диполя, D | Поляризуемость. м3∙1030 | Энергия взаимодействия, кДж/моль | Температура кипения, К | |||
ориентационная | индукционная | дисперсионная | суммарная | ||||
H2 Ar Xe HCl HBr HI NH3 | 1,03 0,78 0,38 1,52 | 0,8 1,64 4,16 2,64 3,62 5,42 2,23 | 3,3 1,1 0,6 13,3 | 1,0 0,70 0,3 1,5 | 0,17 8,5 18,4 16,8 28,5 60,6 14,7 | 0,17 8,5 18,4 21,1 30,3 61,5 29,5 | 20,2 239,6 |
Энергия вандерваальсова взаимодействия. Энергия всех видов вандерваальсова взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию между центрами молекул в шестой степени.
При сильном сближении молекул проявляются силы отталкивания между ними, которые обратно пропорциональны расстоянию: между молекулами-в двенадцатой ступени. Поэтому зависимость результирующей энергиивандерваальсова взаимодействия Ев от расстояния между молекулами, I в, выражается уравнением
a b
EB = - +
l 6B l 12B
где: а и b — постоянные.
Минимальная энергия системы обеспечивается при расстояниях между центрами молекул 0,4÷0,5 нм, т.е. существенно больше длины химической связи/
Как видно из табл. 14, сувеличением размера молекул в ряду Аr—Хе и НС1—HI растет их поляризуемость и энергия дисперсионного притяжения. Ориентационное взаимодействие вносит значительный вклад в вандерваальсовы силы лишь в случае молекул с большим электрическим моментом диполя. С увеличением суммарной энергии межмолекулярного взаимодействия возрастает температура кипения жидкостей, атакже теплота их испарения.
Суммарная энергия вандерваальсового взаимодействия молекул на 1—2 порядка ниже энергии химических связей.
Итак, между молекулами возникают относительно слабые вандерваальсовы взаимодействия, включающие дисперсионные силы, а для полярных молекул и диполь-дипольное притяжение и индукционные взаимодействия.
2. Водородная связь. Водородная связь — это своеобразная химическая связь. Она возникает между молекулами, в состав которых входит водород и сильно электроотрицательный элемент. Такими элементами являются фтор, кислород, азот, хлор и др.
Природу водородной связи объясняли по-разному. Наибольшее распространение получило электростатическое взаимодействие.
Механизм водородной связи рассмотрим на примере молекулы воды. При образовании полярной ковалентной связи между атомами водорода и атомом кислорода электроны, первоначально принадлежащие атому водорода, сильно смещаются в сторону кислорода. В результате атом кислорода приобретает значительный эффективный отрицательный заряд, а ядро атома водорода с внешней по отношению к атому кислорода стороны почти лишается электронного облака. Между протоном атома водорода и отрицательно заряженным атомом кислорода соседней молекулы воды возникает электростатическое притяжение, что и приводит к образованию водородной связи.
Процесс образования водородной связи на примере двух молекул воды может быть представлен следующей схемой (точками обозначается водородная связь, а знаками σ+, σ – - эффективные заряды атомов):
.. σ+.. σ–
:О – Н ∙ ∙ ∙ О – Н
Н Н
Более правильным следует считать, что в образовании водородной связи принимает участие и донорно-акцепторное взаимодействие. Ведь для этой связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость. На это впервые указал Н. Д. Соколов, разработавший квантово-механическую теорию водородной связи.
Согласно донорно-акцепторной теории, водородная связь начинается с электростатического взаимодействия, в результате которого электронная пара атомов водорода еще больше смещается в сторону кислорода, благодаря чему атом водорода как бы «оголяется», другими словами s-орбнталь атома водорода «высвобождается» и становится способной принять неподеленную электронную пару атома кислорода другой молекулы. Поле протона велико и притяжение им электронной пары атома кислорода весьма эффективно, в то время других своих электронов около протона нет, поэтому отталкивание другой молекулы воды в области атома водорода сильно понижается.
Этот механизм объясняет, почему только водород способен образовывать водородную связь. У всякого другого атома при освобождении орбитали ядро не «оголяется» и внутренние оболочки обеспечивают отталкивание от электронных оболочек второй молекулы.
Рассмотренный механизм образования водородной связи требует, чтобы атом элемента, соединяясь с водородом, обладал высокой относительной электроотрицательностью и имел в наличии неподеленную электронную пару. Только при этом условии электронное облако атома водорода достаточно сильно сместится в сторону атома партнера. Таким образом, химическая связь, образованная положительно поляризованным водородом молекулы А—Н (или полярной группы—А-Н) и электроотрицательным атомом В другой или той же молекулы, называется водородной связью.
Образование водородной связи обусловлено тем, что в полярных молекулах А-Н или полярных группах -А-Н поляризованный атом водорода обладает уникальными свойствами: отсутствием внутренних электронных оболочек, значительным сдвигом электронной пары к атому с высокой электроотрицательностьюи очень малым размером. Поэтому водород способен глубоко внедряться в электронную оболочку соседнего отрицательно поляризованного атома.
Электростатическая модель образования водородных связей верна только в первом приближении, поскольку энергетически дополнительное связывание атома водорода должно иметь химическую природу. Метод валентных связей не может объяснить образование дополнительной связи атома Н, так как атом водорода одновалентен.
Обычно водородную связь обозначают точками и этим указывают, что она слабее ковалентной связи (примерно в 15—20 раз). Тем не менее она ответственна за ассоциацию молекул. Например, образование димеров уксусной кислоты можно представить схемой агрегаций молекул за счет водородных связей:
1.Образование зигзагообразных цепей в жидком фтороводороде HF:
2. Образование гидрата аммиака NН3 ∙ Н2О при растворении аммиака в воде:
Н σ– σ–
Н – N ∙ ∙ ∙ H – O
Н |
H
2. Донорно-акцепторное взаимодействие молекул. Комплексные соединения. Если одна из двух молекул имеет атом со свободными орбиталями, а другая - атом с парой неподеленных электронов, то между ними происходит донорно-акцепторное взаимодействие, которое приводит к образованию ковалентной связи, например:
NH3 + BF3 = NH3 * BF3
У атома азота в молекуле аммиака имеется неподеленная пара электронов, а у атома бора в молекуле трифторида бора - вакантная орбиталь.
При взаимодействии по донорно-акцепторному механизму атом азота отдает на связь пару электронов, а атом бора - вакантную орбиталь, в результате чего возникает ковалентная связь
H F H F
| | | |
H – N +ڤ B – F → H – N – B – F
| | | |
H F H F
В полученном соединении суммарные валентности бора и азота равны четырем.
Комплексы. Аналогичным образом образуется соединение КРF6 при взаимодействии KF и PF5, которое можно записать в виде К[РF6].
При взаимодействии сульфата меди и аммиака образуется сложное соединение: CuSO4+4NH3=CuSO4 • 4NН3,которое выражается формулой [Сu(NН3)4]SO4.
Сложные соединения, у которых имеются ковалентные связи, образованные по донорно-акцепторному механизму, получили название комплексных или координационных соединений.