Молекулярные силы

Силы взаимодействия между молекулами, или, как их еще называют, Ван-дер-Ваальсовские силы имеют электрическую природу. Это кулоновские силы взаимодействия заряженных частиц, из которых состоят атомы и молекулы. Они проявляются на расстояниях, соизмеримых с размерами самих молекул и очень быстро убывают при увеличении расстояния. При этом одновременно действуют силы притяжения (взаимодействие разноименных зарядов) и силы отталкивания (взаимодействие одноименных зарядов). Т.к. реальные частицы не являются точечными, то величина этих сил зависит от расстояния между ними по-разному.

Различают три типа сил Ван-дер-Ваальса:

a) ориентационные – действуют между полярными молекулами:

,

где р – электрический дипольный момент частиц, r – расстояние между ними, k – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура.

б) индукционные – описывают взаимодействие молекул, поляризация

зарядов в которых возникает под воздействием электрических полей соседних частиц:

.

Здесь: р_инд = ε₀αЕ – приобретённый электрический дипольный момент частиц; α – поляризуемость молекул.

в) дисперсионные – определяют взаимодействие молекул, несимметричное распределение зарядов в которых возникает случайно, в процессе движения электронов по орбитам, что и приводит к образованию мгновенных диполей:

.

В общем случае все три типа сил могут действовать одновременно:

F_м = F_о + F_и + F_д.

Рассмотрим зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния. Силы притяжения F_пр считаются отрицательными, а силы отталкивания F_от – положительными. Сумма этих сил дает результирующую – F_рез = f(r). На некотором расстоянии r₀ между молекулами |F_пр| = |F_от| и результирующая сила F = F_пр + F_от = 0. Если r < r₀, то преобладают силы отталкивания. Если r >r₀, то преобладают силы притяжения. Однако на расстоянии r > 10^-9 м силы Ван-дер-Ваальса быстро стремятся к нулю.

Система взаимодействующих молекул характеризуется некоторым запасом потенциальной энергии, которая сложным образом зависит от r, Е_п = f(r):

r → ∞ – Е_п → 0;

r > r₀ и r → r₀ – Е_п → Е_{п min}, Е_п < 0;

r = r₀ – Е_п = Е_{п min} , Е_п < 0;

r < r₀ и уменьшается – Е_п → ∞, Е_п > 0.

Наименьшая потенциальная энергия взаимодействия называется энергией связи молекул. Она равна работе, которую необходимо совершить против сил притяжения, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии.

Соотношение минимальной потенциальной энергии (Е_{п min}) и величины удвоенной средней энергии теплового движения приходящейся на одну степень свободы является критерием агрегатного состояния вещества. Если:

а) Е_{п min} << kT – газ;

б) Е_{п min}» kT – жидкость;

в) Е_{п min} >> kT – твердое тело.

Таким образом, любое вещество в зависимости от температуры может находиться в газообразном, жидком или твердом агрегатном состоянии.