Межмолекулярное взаимодействие: определение, примеры

Межмолекулярное взаимодействие - это слабые силы притяжения и отталкивания, действующие между молекулами и атомами. Они не приводят к образованию химических связей, но играют важную роль в формировании свойств веществ.

Определение межмолекулярного взаимодействия

Впервые идею о существовании межмолекулярного взаимодействия выдвинул голландский ученый Я. Д. Ван-дер-Ваальс в 1873 году. Он предположил, что помимо химических связей между атомами действуют еще и слабые силы притяжения и отталкивания.

Это позволило Ван-дер-Ваальсу объяснить отклонения свойств реальных газов и жидкостей от идеальных моделей того времени. Например, уравнение Ван-дер-Ваальса для реальных газов гораздо точнее описывало экспериментальные данные по сравнению с уравнением идеального газа.

Таким образом, межмолекулярное взаимодействие - это общий термин для обозначения всех типов слабых взаимодействий между электрически нейтральными молекулами, атомами и ионами, не приводящих к образованию химических связей.

Виды межмолекулярных взаимодействий

Различают два основных типа сил межмолекулярного взаимодействия:

• Силы притяжения Ориентационные Индукционные (поляризационные) Дисперсионные
• Силы отталкивания

Силы притяжения

Ориентационные силы возникают между полярными молекулами, имеющими постоянный дипольный момент. Так, молекула воды H2O имеет значительный диполь из-за разницы электроотрицательностей атомов водорода и кислорода. При определенных ориентациях такие диполи притягиваются, что и обуславливает силы ориентационного взаимодействия.

Индукционные силы появляются между полярной и неполярной молекулами. Полярная молекула создает электрическое поле и наводит дипольный момент в неполярной молекуле. Это и приводит к их притяжению.

Наконец, дисперсионные силы универсальны - они действуют между любыми молекулами и атомами. Причина их возникновения - корреляция движения электронов в молекулах, приводящая к флуктуациям электронной плотности и возникновению мгновенных дипольных моментов.

Силы отталкивания

На малых расстояниях между молекулами и атомами возникает отталкивание из-за перекрытия их электронных оболочек. Электроны подчиняются принципу Паули, запрещающему занимать одно квантовое состояние, что и приводит к отталкиванию.

В итоге потенциальная кривая межмолекулярного взаимодействия имеет минимум, соответствующий равновесному расстоянию между частицами в конденсированном состоянии.

Факторы, влияющие на межмолекулярное взаимодействие

На силы межмолекулярного взаимодействия влияет множество факторов:

• Расстояние между молекулами (чем меньше, тем сильнее взаимодействие)
• Температура среды (при нагревании интенсивность теплового движения молекул возрастает и они слабее взаимодействуют)
• Давление (с его ростом расстояния между молекулами уменьшаются)
• Полярность и поляризуемость молекул
• Размер и форма молекул

Учитывая эти факторы, можно объяснить различия в физических свойствах веществ, влияние давления и температуры на агрегатные переходы, растворимость и другие явления.

Зависимость свойств вещества от межмолекулярного взаимодействия

Сила межмолекулярных взаимодействий определяет многие важнейшие характеристики веществ:

1. Агрегатное состояние (газообразное, жидкое или твердое) при данных температуре и давлении
2. Температуры фазовых переходов (плавления, кипения, возгонки, сублимации)
3. Растворимость одних веществ в других
4. Вязкость жидкостей и газов
5. Теплопроводность
6. Электропроводность в жидкостях и расплавах
7. Диффузия частиц сквозь мембраны и жидкости
8. Способность к кристаллизации и аморфизации
9. Механические свойства твердых тел (хрупкость, пластичность)

Чем сильнее межмолекулярное взаимодействие, тем выше температуры плавления и кипения веществ, их вязкость и поверхностное натяжение, ниже давление насыщенного пара, лучше механические характеристики.

Методы изучения межмолекулярного взаимодействия

Для исследования природы и особенностей межмолекулярного взаимодействия используется целый ряд экспериментальных и теоретических подходов.

Экспериментальные методы

• ИК-спектроскопия позволяет обнаружить наличие водородных связей в соединениях.
• ЯМР-спектроскопия daet информацию о динамике и силе водородной связи.
• Рентгеноструктурный анализ используется для определения расстояний между атомами и молекулами в твердых телах и жидкостях.
• Калориметрия дает значения энергии фазовых переходов, зависящих от сил межмолекулярного взаимодействия.
• Тензиометрия позволяет оценить вклад различных типов межмолекулярных взаимодействий в поверхностное натяжение жидкостей.

Теоретические методы

• Квантово-химические расчеты методами теории функционала плотности дают точные значения энергии межмолекулярного взаимодействия.
• Моделирование методом молекулярной динамики позволяет визуализировать поведение системы и наблюдать роль межмолекулярных взаимодействий.
• Расчет потенциальных кривых в различных приближениях (Леннард-Джонса, Бакингема) используется для качественного и количественного описания энергии взаимодействия.
  

Водородная связь как важный вид межмолекулярного взаимодействия

Водородная связь - это электростатическое взаимодействие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом (чаще всего фтора, кислорода, азота) другой молекулы.

Особенность водородной связи в том, что она значительно сильнее других межмолекулярных взаимодействий (до 60 кДж/моль), что сравнимо с энергией ковалентных связей.

Наличие водородных связей кардинально влияет на свойства веществ. Например, аномально высокие температуры кипения и плавления воды по сравнению с аналогами обусловлены сетью водородных связей между ее молекулами.

Применение знаний о межмолекулярном взаимодействии

Понимание природы и особенностей межмолекулярного взаимодействия открывает широкие перспективы практического использования в различных областях:

• Разработка новых материалов (композитов, клеев, мембран) с заданными свойствами
• Проектирование высокоэффективных катализаторов
• Создание лекарств с улучшенными фармакокинетическими характеристиками
• Оптимизация технологических процессов, основанных на явлениях адсорбции, экстракции, хроматографии
• Интерпретация механизмов биологических процессов, ДНК-связывания, работы рецепторов

Таким образом, углубленные знания о межмолекулярном взаимодействии помогут в создании материалов будущего, новых лекарств и технологий.

Нерешенные вопросы в изучении межмолекулярного взаимодействия

Несмотря на многолетние исследования в этой области, остается еще много открытых вопросов о природе и роли межмолекулярного взаимодействия.

Механизм действия дисперсионных сил

Хотя дисперсионное взаимодействие универсально и вносит значительный вклад в энергию межмолекулярных сил, его точный механизм еще предстоит выяснить.

Квантово-механические расчеты сложных систем

Существующие методы квантовой химии позволяют достаточно точно моделировать межмолекулярное взаимодействие в простых системах. Однако для комплексных соединений требуется разработка новых подходов.

Роль в биологических процессах

Водородные связи и гидрофобные эффекты, обусловленные межмолекулярным взаимодействием, критически важны для работы белков и нуклеиновых кислот. Однако многие детали их механизма действия еще не выяснены.

Взаимосвязь с наноматериалами

Уникальные свойства наночастиц и наноструктур во многом определяются вкладом поверхностных межмолекулярных взаимодействий. Эта область также нуждается в дальнейшем изучении.

Возможности искусственного управления

Перспективным направлением является исследование методов целенаправленного изменения межмолекулярного взаимодействия с помощью внешних физических полей, химических воздействий и наноструктурирования систем.

Заключение

В статье мы рассмотрели основные аспекты природы и проявления межмолекулярного взаимодействия в различных системах. Несмотря на достигнутые успехи в этой области, многие вопросы еще ждут своего решения. Дальнейшие исследования помогут раскрыть полный потенциал управления свойствами материалов и веществ на молекулярном уровне.