Силы Ван-дер-Ваальса

Силы Ван-дер-Ваальса – физические силы межмолекулярного взаимодействия. Они зависят от строения взаимодействующих частиц и включают ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия.

Любая частица имеет ядро и электронное облако (если это молекула, то совокупность ядер и электронных облаков).

Пусть q ⁺ –центр положительного заряда частицы,

q ^- – центр отрицательного заряда частицы.

Если положительный и отрицательный центры совмещены – частицы неполярны.

Частицы, у которых эти центры разделены, называются диполями. Такие частицы, а следовательно и все вещество, полярны.

Количественно полярность частицы (молекулы, атома) характеризуется дипольным моментом m

m = q×r,

где r – расстояние между зарядами.

Вещества сходной природы хорошо взаимодействуют друг с другом (полярные с полярными, неполярные с неполярными).

Ориентационное, или диполь-дипольное, взаимодействие возникает между полярными частицами при взаимодействии дипольных моментов.

Потенциал ориентационного взаимодействия U _ор

где m ₁, m ₂– дипольные моменты 1-й и 2-й молекул;

k – постоянная Больцмана;

T – температура;

h – расстояние между молекулами.

Из уравнения следует, что энергия ориентационного притяжения прямо пропорциональна полярности реагирующих молекул и обратно пропорциональна температуре и расстоянию.

Индукционный тип взаимодействия возникает при сближении полярной и неполярной молекул. Под влиянием дипольной молекулы у нейтральной перераспределяется заряд и индуцируется дипольный момент. Энергия индукционного взаимодействия описывается уравнением

где m ₁– дипольный момент полярной молекулы;

a ₂ – поляризуемость неполярной молекулы (поляризуемость – способность электронных оболочек к деформации при воздействии электрического поля);

h – расстояние между молекулами.

Индукционное взаимодействие не зависит от температуры.

Дисперсионное взаимодействие играет основную роль при взаимодействии неполярных молекул. В процессе движения электронного облака распределение зарядов становится несимметричным (т.е. возникают флуктуации электронного облака), в результате возникают мгновенные диполи, они являются причиной притяжения молекул.

Энергия дисперсионного взаимодействия

где a ₁, a ₂ – поляризуемость 1-й и 2-й молекул;

I ₁, I ₂– потенциал ионизации 1-й и 2-й молекул;

Дисперсионное взаимодействие универсально – оно существует между любыми частицами независимо от их полярности и реакционной способности. Для полярных молекул U _дис составляет ~ 20 %, а для слабополярных достигает 100 %.

Итак, энергия межмолекулярного взаимодействия является результатом трех составляющих. Она зависит от расстояния, дипольного момента, поляризуемости и потенциала ионизации реагирующих молекул и слабо зависит от температуры.