Природа межмолекулярного взаимодействия

Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу и складывается из сил притяжения(ориентационных, индукционных и дисперсионных) и сил отталкивания.

Ориентационные силы

Два электрических диполяab и cd при указанномвзаимном расположениипритягиваются, т. к. разноимённые заряды вточках b и свзаимодействуют сильнее, чем одноимённые заряды вточках а и с (а также в b иd).

Ориентационные силы действуют между полярными молекулами, то есть обладающими дипольнымиэлектрическими моментами. Сила притяжения между двумя полярными молекулами максимальна в томслучае, когда их дипольные моменты располагаются вдоль одной линии (см. рисунок). Эта сила возникаетблагодаря тому, что расстояния между разноимёнными зарядами немного меньше, чем между одноимёнными. В результате притяжение диполей превосходит их отталкивание. Взаимодействие диполей зависит от ихвзаимной ориентации, и поэтому силы дипольного взаимодействия называются ориентационными. Хаотическое тепловое движение непрерывно меняет ориентацию полярных молекул, но, как показываетрасчёт, среднее по всевозможным ориентациям значение силы имеет определённую величину, не равнуюнулю. Потенциальная энергия ориентационного межмолекулярного взаимодействия:

U_op (r)~ где p₁ и p₂ — дипольные моменты взаимодействующих молекул.

Соответственно сила взаимодействия: F_op ~ r ^{− 7}.

Сила Fор убывает с расстоянием значительно быстрей, чем кулоновская сила взаимодействия заряженныхтел (Fкул ~ r^-2).

Индукционные силы

Индукционные (или поляризационные) силы действуют между полярной и неполярной молекулами. Полярнаямолекула создаёт электрическое поле, которое поляризует молекулу с электрическими зарядами, равномернораспределёнными по объёму. Положительные заряды смещаются по направлению электрического поля, аотрицательные — против. В результате у неполярной молекулы индуцируется дипольный момент.

Энергия межмолекулярного взаимодействия в этом случае пропорциональна дипольному моменту p1полярной молекулы и поляризуемости a2, характеризующей способность другой молекулы поляризоваться:

Uинд(r) ~ p1 a2 / r⁶.

Эта энергия называется индукционной, так как она появляется благодаря поляризации молекул, вызваннойэлектростатической индукцией. Индукционные силы (Fинд ~ r ^-7) действуют также и между полярнымимолекулами.

Дисперсионные силы

Между неполярными молекулами действует дисперсионное межмолекулярное взаимодействие. Природа этоговзаимодействия была выяснена полностью только после создания квантовой механики. В атомах и молекулахэлектроны сложным образом движутся вокруг ядер. В среднем по времени дипольные моменты неполярныхмолекул оказываются равными нулю. Но в каждый момент электроны занимают какое-то положение. Поэтомумгновенное значение дипольного момента (например, у атома водорода) отлично от нуля. Мгновенный дипольсоздаёт электрическое поле, поляризующее соседние молекулы. В результате возникает взаимодействие мгновенных диполей. Энергия взаимодействия между неполярными молекулами есть средний результатвзаимодействия всевозможных мгновенных диполей с дипольными моментами, которые они наводят всоседних молекулах благодаря индукции. Потенциальная энергия дисперсионного межмолекулярноговзаимодействия:

Uдисп(r) ~ a1a2 / r⁶ а Fдисп ~ r^-7(здесь a1 и a2 — поляризуемости взаимодействующих молекул).

Межмолекулярное взаимодействие данного типа называется дисперсионным потому, что дисперсия света ввеществе определяется теми же свойствами молекул, что и это взаимодействие. Дисперсионные силыдействуют между всеми атомами и молекулами, так как механизм их появления не зависит от того, есть ли умолекул (атомов) постоянные дипольные моменты или нет. Обычно эти силы превосходят по величине какориентационные, так и индукционные. Только при взаимодействии молекул с большими дипольнымимоментами, например молекул воды, Fор > Pдисп (в 3 раза для молекул воды). При взаимодействии же такихполярных молекул, как CO, HI, HBr и других, дисперсионные силы в десятки и сотни раз превосходят всеостальные.

Очень существенно, что все три типа межмолекулярного взаимодействия одинаковым образом убывают срасстоянием:

U = Uop + Uинд + Uдисп ~ r^-6

Силы отталкивания

Силы отталкивания действуют между молекулами на очень малых расстояниях, когда приходят всоприкосновение заполненные электронные оболочки атомов, входящих в состав молекул. Существующий вквантовой механике принцип Паули запрещает проникновение заполненных электронных оболочек друг вдруга. Возникающие при этом силы отталкивания зависят в большей степени, чем силы притяжения, отиндивидуальности молекул. К хорошему согласию с данными экспериментов приводит допущение, чтопотенциальная энергия сил отталкивания Uот возрастает с уменьшением расстояния по закону:

Uот(r) ~ r^-12, a Fот ~ r^-13.