Виды межмолекулярного взаимодействия твердых тел
Межмолекулярное взаимодействие в химии, суть процесса
Различные атомы и группы атомов, входящие в состав молекулы вещества могут осуществлять внутримолекулярное и межмолекулярное взаимодействие, приводящее к образованию нового типа связей — межмолекулярных связей. Определение
Межмолекулярным называют взаимодействие частиц (атомов, молекул или ионов), проявляющееся на расстояниях, значительно превышающих размеры этих частиц.
- Сравнительно слабое. Энергия связи составляет от 4 до 20 кДж/моль, что в 20 раз меньше энергии химических связей.
- Действует на бóльших расстояниях, во всех направлениях вокруг данной частицы (не имеет направленности).
- Ненасыщаемое: молекула может взаимодействовать с любым количеством находящихся рядом молекул.
Основные виды межмолекулярного взаимодействия
Ван-дер-ваальсовы взаимодействия (силы) имеют электростатический характер и образуются за счет диполей (молекул, содержащих два одинаковых по величине, но разных по знаку заряда, находящимися на расстоянии друг от друга). В зависимости от вещества механизм образования диполей различен, поэтому выделяют три составляющие ван-дер-ваальсовых сил:
- ориентационное взаимодействие (эффект Кеезома) — характерно для веществ, образованных полярными молекулами: вода , сероводород и т.д. В конденсированном состоянии молекулы располагаются так, чтобы концы с разными зарядами находились рядом, обеспечивая взаимное притяжение. При нагревании ориентационный эффект становится слабее из-за беспорядочного движения молекул, препятствующего правильной ориентации. Ориентационное взаимодействие позволяет полярным молекулам образовывать жидкости, кипящие при температуре выше комнатной;
- индукционное взаимодействие (эффект Дебая) — возникает между полярным и неполярным веществами за счет наведенных (или индуцированных) диполей. Дипольные моменты, постоянно имеющиеся у полярного вещества, продуцируют образование диполей в неполярном соединении. Эти силы действуют и на два полярных вещества, но они слабее, чем при ориентационном взаимодействии. Не зависит от температуры и имеет важное значение при образовании растворов;
- дисперсионное взаимодействие (эффект Лондона) — проявляется у мгновенных диполей неполярных молекул. Мгновенные диполи образуются, когда значение дипольного момента какого-либо атома становится не равным нулю. Мгновенный диполь создает электрическое поле, поляризуя соседние молекулы, которые притягиваются друг к другу. Это слабый вид межмолекулярного взаимодействия. Он универсальный и присущ всем частицам, включая атомы инертных газов, но проявляется только при отсутствии ориентационного и индукционного взаимодействия (см.таблицу 2). Все неполярные газообразные вещества (водород, метан, азот, кислород и др.) при охлаждении до низких температур переходят в жидкое состояние, а при дальнейшем понижении температуры кристаллизуются.
Влияние агрегатного состояния вещества на ван-дер-ваальсовы взаимодействия
Атомы или молекулы газообразных веществ постоянно двигаются в разных направлениях, поэтому большую часть времени находятся на значительных (по сравнению с собственными размерами) расстояниях друг от друга. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними настолько малы, что его даже не учитывают, кроме тех случаев, когда газ находится под высоким давлением.
Частицы веществ в конденсированном состоянии (жидком или твердом) находятся ближе друг к другу, а силы взаимодействия достаточно велики для того, чтобы удержать их в таком положении. Поэтому жидкие и твердые вещества имеют, в отличие от газов, постоянный при данной температуре объем.
Для твердых тел (кристаллов) силы межмолекулярного взаимодействия обеспечивают сохранение не только объема, но и формы. Правильная геометрическая форма (кристаллическая решетка), в узлах которой находятся электрически нейтральные частицы, называется молекулярным кристаллом.
Примерами могут быть такие органические соединения, как парафин, спирт, резина; инертные газы, а также в твердом состоянии; лед, кристаллы брома, йода и др. Силы взаимодействия в таких кристаллах формируются за счет небольшого смещения электронов в оболочках атомов. Они невелики, поэтому молекулярные кристаллы подвержены деформации.
Для некоторых твердых тел свойственно наличие сразу нескольких видов связи. Примером такого вещества является графит с гексагональной решеткой:
- ван-дер-ваальсовы силы действуют между слоями параллельных плоскостей, образующих кристаллическую решетку;
- ковалентная связь в пределах одного слоя формируется тремя валентными электронами каждого атома углерода с соседними атомами.
Мягкость графита и скольжение его слоев друг относительно друга обусловлена этими факторами.
Водородная связь — частный случай ориентационных межмолекулярных сил, образующихся между положительно поляризованным атомом водорода одной группы или молекулы и отрицательно поляризованным атомом другой. Функцию отрицательного полюса выполняет атом с высокой отрицательностью (кислород, фтор, азот и др.).
Если представить соединение с формулой X-H, то водородная связь будет выглядеть так: X-H⋅⋅⋅Y (или H⋅⋅⋅Y), где Y — атом с высокой отрицательностью, входящий в состав какого либо вещества, образующего с X-H водородные связи.
В силу высокой прочности (сравнительно с другими вариантами межмолекулярного взаимодействия), широкой распространенности и важности в объяснении свойств различных соединений водородная связь рассматривается как отдельный тип межмолекулярных связей.
Значение водородной связи:
- Является промежуточным звеном между валентным и межмолекулярным взаимодействием.
- За счет водородных связей образуются кристаллогидраты, ассоциации молекул.
- Образование и расщепление водородных связей — основа таких процессов, как электролитическая диссоциация, растворение и кристаллизация.
- Непрочные, легко образуются и легко рвутся при комнатной температуре.
- Повышают такие физические характеристики, как вязкость, растворимость, температура кипения и плавления, диэлектрическая постоянная и другие у воды и многих органических жидкостей: карбоновых кислот и их амидов, спиртов, сложных эфиров. Например, у воды
Вещество Электрический момент диполя, μ Поляризуемость, м3х1030 Энергия взаимодействия, кДж/моль Температура кипения, К Ориентационная, Еориент Индукционная, Еинд Дисперсионная, Едисп Суммарная, Еобщ H2 0 0.8 0 0 0.17 0.17 20.2 Ar 0 1.64 0 0 8.5 8.5 76 Xe 0 4.16 0 0 18.4 18.4 167 HCl 1.03 2.64 3.3 1.0 16.8 21.1 188 HBr 0.78 3.62 1.1 0.7 28.5 30.3 206 HJ 0.38 5.42 0.6 0.3 60.6 61.5 238 NH3 1.52 2.23 13.3 1.5 14.7 29.5 239.6 Таблица 2.
- С увеличением размера молекул в рядах Ar—Xe и HCl-HJ увеличивается их поляризуемость и Едисп.
- Еориент вносит существенный вклад в Еобщ только при высоком значении электрического момента диполя, μ.
- При увеличении Еобщ растет температура кипения жидкостей, а также теплота их испарения.
Общая энергия межмолекулярного взаимодействия выражается суммой энергий трех видов взаимодействия:
Еобщ = Еориент + Еинд +Едисп.
Вклад каждого из слагаемых определяется полярностью и поляризуемостью частиц. Во взаимодействие сильно полярных и легко поляризующихся молекул наибольший вклад вносят Еориент + Еинд, хотя значение Еинд обычно сравнительно невелико. У малополярных молекул дисперсионное взаимодействие выходит на первое место, а у неполярных оно является единственной составляющей.
Учитель непонятно объясняет предмет?
Источник
Какова природа межмолекулярных сил?
Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электромагнитную природу – это силы электрического происхождения. Причиной этого является то, что молекулы и атомы состоят из заряженных частиц с противоположными знаками зарядов – электронов и положительно заряженных атомных ядер.
Какими свойствами обладают силы молекулярного взаимодействия?
Силы короткодействующими: на расстояниях превышающих размеры молекул в несколько раз эти силы не действуют.
Что называют сферой молекулярного действия? Каков радиус этой сферы?
Область пространства, в которой проявляется действие молекулярных сил, называют сферой молекулярного действия. Радиус этой сферы равен примерно 1•10-9 м.
4. Ïðè îïðåäåë¸ííîì ðàññòîÿíèè ìåæäó àòîìàìè è ìîëåêóëàìè ñèëû ïðèòÿæåíèÿ è îòòàëêèâàíèÿ óðàâíîâåøèâàþòñÿ. Ïðè ñæàòèè òåëà ìåæìîëåêóëÿðíîå ðàññòîÿíèå óìåíüøàåòñÿ, íà÷èíàþò ïðåîáëàäàòü ñèëû îòòàëêèâàíèÿ; ïðè ðàñòÿæåíèè òåëà âñ¸ ïðîèñõîäèò íàîáîðîò. Òàêèì îáðàçîì, ñèëà óïðóãîñòè âñåãäà âîçíèêàåò ïðè äåôîðìàöèè òåëà, íàïðàâëåíà ïðîòèâîïîëîæíî äåôîðìàöèè è ñòðåìèòñÿ âåðíóòü òåëî â íà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå.
Чем определяется вязкость жидкости?
Вязкость жидкостей (внутреннее трение) — свойство оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость обусловлена, в первую очередь, межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул.
Вода обладает малой вязкостью и хорошо смачивает детали машин. Почему же её не используют в качестве смазочного материала?
Смазочные материалы должны обладать хорошей липкостью, т.е. молекулы этих веществ должны достаточно сильно притягиваться к молекулам поверхности, на которую наносится смазка. Вода не обладает таким свойством.
Модуль 5. Газы, жидкости, твёрдые тела.
Перечислите агрегатные состояния вещества. Попытайтесь написать соотношение между кинетической и потенциальной энергии для газообразного, жидкого и твердого состояния вещества.
Твёрдое, жидкое, газообразные.
Источник