Какую природу имеют силы взаимодействия между молекулами

Какую природу имеют силы взаимодействия между молекулами

Молекулярная физика — это просто!

Силы взаимодействия молекул

Все молекулы вещества взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания.
Доказательство взаимодействия молекул: явление смачивания, сопротивление сжатию и растяжению, малая сжимаемость твердых тел и газов и др.
Причина взаимодействия молекул — это электромагнитные взаимодействия заряженных частиц в веществе.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, поэтому в целом атом электрически нейтрален.
Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электрически нейтральна.

Рассмотрим взаимодействие между молекулами на примере двух неподвижных молекул.

Между телами в природе могут существовать гравитационные и электромагнитные силы.
Так как массы молекул крайне малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать.

На очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет.

Но, при уменьшении расстояния между молекулами молекулы начинают ориентироваться так, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются нейтральными), и между молекулами возникают силы притяжения.

При еще большем уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания, как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул.

В итоге на молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладает сила притяжения (на расстоянии 2-3 диаметров молекулы притяжение максимально), на малых расстояниях сила отталкивания.

Существует такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия.

Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией.
В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна.

В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину минимальной потенциальной энергии молекул.

Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, т.е. обладают кинетической энергией.

Таким образом, структура вещества и его свойства (твердых, жидких и газообразных тел) определяются соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и запасом кинетической энергии теплового движения молекул.

Строение и свойства твердых, жидких и газообразных тел

Строение тел объясняется взаимодействием частиц тела и характером их теплового движения.

Твердое тело

Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул больше кинетической энергии молекул.
Сильное взаимодействие частиц.

Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел.

Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в вершинах — узлах кристаллической решетки. Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц.
Такие твердые тела называются кристаллическими.

Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с кинетической энергией молекул.
Слабое взаимодействие частиц.
Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями

Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.

В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости.

В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы.

По своему строению и характеру теплового движения жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами.
Хотя разница между жидкостью и газом значительно больше, чем между жидкостью и твердым телом. Например, при плавлении или кристаллизации объем тела изменяется во много раз меньше, чем при испарении или конденсации.

Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул меньше кинетической энергии молекул.
Частицы вещества практически не взаимодействуют.
Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.

Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться.
Газы легко сжимаются под действием внешнего давления, т.к. расстояния между молекулами велики, а силы взаимодействия пренебрежимо малы.
Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа.

Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика

Источник

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.

1. Сравнительно слабое. Энергия связи составляет от 4 до 20 кДж/моль, что в 20 раз меньше энергии химических связей.
2. Действует на бóльших расстояниях, во всех направлениях вокруг данной частицы (не имеет направленности).
3. 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:

1. Является промежуточным звеном между валентным и межмолекулярным взаимодействием.
2. За счет водородных связей образуются кристаллогидраты, ассоциации молекул.
3. Образование и расщепление водородных связей — основа таких процессов, как электролитическая диссоциация, растворение и кристаллизация.
4. Непрочные, легко образуются и легко рвутся при комнатной температуре.
5. 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.

   1. С увеличением размера молекул в рядах Ar—Xe и HCl-HJ увеличивается их поляризуемость и Едисп.
   2. Еориент вносит существенный вклад в Еобщ только при высоком значении электрического момента диполя, μ.
   3. 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