• Название:

    7.4. мол. взаимод.

  • Размер: 0.07 Мб
  • Формат: DOC
  • или



7.4.Межмолекулярные силы.

Мы рассмотрели ионную и ковалентную связи, которые образуются при взаимодействии атомов, находящихся на близких расстояниях.
Силы, обеспечивающие такие связи, называются химическими.
Эти силы убывают с возрастанием расстояния между атомами.
Но между нейтральными атомами и молекулами действуют еще и дальнодействующие силы притяжения.
Они обусловлены кулоновским взаимодействием заряженных частиц, входящих в состав нейтральных атомов и молекул на расстояниях, значительно превосходящих размеры молекул.
К ним относят силы, возникающие при взаимодействии
постоянных дипольных моментов атомов или молекул (диполь – дипольное взаимодействие)
постоянных диполей с диполями индуцированными (индукционное взаимодействие),
между мгновенными диполями (дисперсионное взаимодействие) (силы Ван-дер-Ваальса).
Диполь – дипольное (ориентационное) взаимодействие является наиболее сильным, оно возникает при сближении двух полярных молекул.
Минимальная энергия взаимодействия соответствует ориентации, при которой положительный полюс одной молекулы соседствует отрицательным полюсом другой.
В газах и жидкостях ориентации полярных молекул препятствует тепловое движение.
Энергия диполь – дипольного взаимодействия ~, где - дипольный момент молекулы, - температура, - расстояние между центрами диполей.
Полярная молекула создает электрическое поле, которое поляризует неполярную молекулу – индуцирует в ней дипольный момент.
Потенциальная энергия индукционного взаимодействия ~ , где - дипольный момент полярной молекулы, - поляризуемость молекулы, - межмолекулярное расстояние.
Дисперсионное взаимодействие в чистом виде проявляется у инертных газов.
Как же возникает дипольное взаимодействие у неполярных молекул? В атомах и молекулах электроны сложным образом движутся вокруг ядер.
В среднем по времени дипольные моменты неполярных молекул равны нулю.
Но мгновенные дипольные моменты отличны от нуля.
Дисперсионное взаимодействие связано с наличием у невозбужденных атомов или молекул нулевых колебаний, не зависящих от температуры.
Поясним это на простейшей модели.
Рассмотрим систему, состоящую из двух невзаимодействующих атомов.
Ядра атомов неподвижны, а электроны представляют собой одномерные гармонические осцилляторы с массой и собственной частотой.
Предположим, что колебания электронов происходят вдоль прямой, соединяющей атомы.
При отклонении электронов от положения равновесия на и у атомов появляются дипольные моменты и.
Можно показать, что потенциальная энергия взаимодействия диполей будет
,
где - расстояние между диполями.
Из этого выражения видно, что , значит, атомы притягиваются друг к другу.
Эту формулу можно преобразовать, введя в нее поляризуемость атома.
Для диполя в постоянном электрическом поле дипольный момент.
Т.к. для гармонического осциллятора сила, действующая на заряд равна , то при равновесии
, откуда .
В результате получается
.
Для реальных атомов
,
где - энергия ионизации атома, - коэффициент порядка единицы.
Обычно дисперсионные силы по величине больше ориентационных и индукционных сил, хотя все они ~.
К молекулярным силам относятся также силы отталкивания.
Возникновение этих сил связано с тем, что при достаточном сближении происходит соприкосновение электронных оболочек частиц.
Дальнейшее сближение невозможно, т.к. это приведет к взаимному проникновению электронных оболочек, что запрещено принципом Паули.
Силы отталкивания являются короткодействущиими и быстро убывают с увеличением расстояния между атомами и молекулами.
Точно рассчитать для межмолекулярного отталкивания невозможно.
Обычно пользуются формулой Ленарда-Джонса:
,
где параметры и определяют экспериментально.
Короткодействие сил отталкивания используют в идеализированной модели для газов: молекулы и атомы рассматриваются, как упругие шарики, при столкновении которых возникают большие силы отталкивания.