Взаимодействия в макросистемах

Представления о межмолекулярном взаимодействии впервые были введены нидерландским физиком Ван дер Ваальсом в 1873 г.

В современной интерпретации составляющие макросистему молекулы испытывают притяжение и отталкивание в силу того, что они состоят из заряженных частей. На рис. 29 представлены взаимодействия диполей и не диполей между собой.В не диполе l = 0. Сближение и взаимодействие молекул-диполей (рис. 29, а) изменяет их взаимное расположение. Такое взаимодействие называется ориентационным или диполь-дипольным.

При взаимодействии диполя и не диполя проявляется индукционное взаимодействие (рис. 29, б). Диполь своим электрическим полем смещает электронную плотность в неполярной молекуле так, что центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в ней также смещаются. Образуется наведенный диполь, который существует, пока молекулы находятся в тесном контакте. Достаточно немного нагреть смесь веществ, чтобы энергия движения молекул существенно ослабила межмолекулярное притяжение.

 

 

 

d+ d-

d+ d-

 

 

d+d-

 

Рис. 29. Модель межмолекулярных взаимодействий: а) ориентационное (диполь-диполь); б) индукционное (диполь-наведенный диполь); в) дисперсионное (наведенный диполь-наведенный диполь)

Взаимодействие двух неполярных молекул приводит к возникновению еще одного типа межмолекулярного взаимодействия. Благодаря непрерывному движению электронов и колебательному движению ядер в каждой из неполярных молекул происходит временное смещение электронной плотности относительно ядер и возникновение наведенных диполей. Каждый из таких диполей влияет своими зарядами на ориентацию соседней молекулы и способствует возникновению в ней наведенного диполя. Так возникает дисперсионное взаимодействие или взаимодействие наведенных диполей (рис. 29, в).

Водородная связь

Водородная связь представляет собой межмолекулярное взаимодействие, в котором атом водорода одной молекулы притягивается к электроотрицательному атому другой молекулы. Водородная связь не является химической связью, тем не менее она так называется, потому что удерживает молекулы рядом, не дает им легко разойтись. Водородная связь слабее ковалентной примерно в десять раз.

Модель водородной связи между молекулами воды представлена на рис. 30.

 

 

Рис. 30. Модель водородной связи: атом водорода одной молекулы смещается в направлении неподеленной электронной пары атома кислорода другой молекулы

 

Смещение водорода наблюдается в направлении неподеленной электронной пары таких электроотрицателных атомов, как фтор, кислород, азот.

Образование водородной связи обязано, главным образом, электрическим силам. В воде водород располагается между электронными парами двух атомов кислорода, с одним из которых он непосредственно связан ковалентной полярной связью, а около другого удерживается неподеленной электронной парой кислорода, принадлежащего соседней молекуле.

«Полимерная» сеть межмолекулярных водородных связей (рис. 31) ставит воду в ряд высококипящих и высоко плавящихся веществ по сравнению с другими водородными соединениями IV А (14) группы(рис. 32).

 

Рис. 31. Водородные связи в тримере воды

 

Требуется затратить значительную энергию, чтобы оторвать молекулы воды с поверхности жидкости (кипение) или разрушить межмолекулярное взаимодействие в кристаллической решетке льда (плавление).

 

 

Атомная масса химического элемента IV а группы в гидриде

 

Рис. 32. Аномально высокая температура плавления и кипения воды среди гидридов элементов IVА (14) группы

 

 

Водородные связи, удерживающие вместе молекулы H₂O или HF, влияют на физико-химические свойства веществ.

Молекулы органических кислот также проявляют свойство димеризоваться за счет водородных связей. Водородные связи в молекулах белков, ДНК и ряда других органических соединений обеспечивают прочность их структурных образований.

 

Краткий итог темы

1. Химическое соединение может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Переход из газообразного в конденсированное состояние (жидкое или твердое) определяется энергией притяжения и энергией движения микрочастиц. Понижение температуры означает уменьшение скорости движения. Энергия межмолекулярного притяжения способна удерживать молекулы на расстоянии, характерном для жидкостей или твердых тел.

2. Структура кристаллической решетки определяется структурой микрочастиц. Выделяют четыре типа кристаллов, классифицированных по типу химической связи: ковалентные, ионные, молекулярные и металлические.

3. Для твердых аморфных тел не характерна строгая упорядоченность микрочастиц. Геометрически правильная решетка сохраняется в небольших по объему участках. По мере удаления от таких участков порядок расположения микрочастиц нарушается, т. е. в аморфных телах отсутствует дальний порядок в расположении микрочастиц. Нарушается трехмерная периодичность структуры, характерная для кристаллического состояния.

4. Жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между кристаллами и жидкостями.

5. Водородная связьпредставляет собой межмолекулярное взаимодействие, в котором атом водорода одной молекулы притягивается к электроотрицательному атому другой молекулы.Межмолекулярные водородные связи обеспечивают структурирование таких химических соединений, как вода, органические кислоты, белки, ДНК. Аномальные физико-химические свойства воды обусловлены водородными связями и диполь-дипольным взаимодействием.

6. Все химические превращения макросистем – это превращения атомов, молекул или ионов, из которых они состоят.

7. В современной интерпретации составляющие макросистему молекулы участвуют в ориентационном (диполь–диполь), индукционном (диполь–не диполь) и дисперсионном (не диполь–не диполь) взаимодействии.

 

Термины для запоминания

Следует запомнить определения нижеследующих терминов и понятий. Если какой-то термин вызывает затруднения, необходимо заново просмотреть тот раздел, в котором он обсуждается.

Аморфные вещества не имеют строго упорядоченной кристаллической структуры.

Водородная связь представляет собой межмолекулярное взаимодействие, в котором атом водорода одной молекулы притягивается к электроотрицательному атому другой молекулы.

Диполь – совокупность двух равных по величине разноименных зарядов d, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга.

Дипольный момент m численно равен произведению заряда d на расстояние l между зарядами: m = d×l

Жидкий кристалл – это текучее непрозрачное вещество, молекулы которого частично упорядочены в одном направлении.

Идеальный газ – это предельное состояние реального газа при бесконечно малом давлении.

Кристаллы с ионными связями представляют собой структуры прочно связанных положительно и отрицательно заряженных ионов.

Кристаллы с ковалентными связями представляют собой структуры прочно связанных атомов.

Кристаллы с металлическими связями представляют собой структуры прочно связанных «электронным газом» положительно заряженных ионов.

Макросистема представляет собой твердое, жидкое или газообразное тело, состоящее из взаимосвязанных атомов, молекул или ионов.

Молекулярные кристаллы содержат в узлах кристаллической решетки молекулы, удерживаемые между собой силами электростатического притяжения.

 

Вопросы для проверки знаний

1. Приведите конкретный пример макросистемы.

2. В чем различие между: а) металлической и ионной кристаллическими решетками; б) ковалентной и молекулярной кристаллическими решетками?

3. В чем сходство аморфных и кристаллических тел?

4. Какие вещества называются жидкими кристаллами?

5. В чем различие и сходство межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и кристаллах льда?

6. В чем различие и сходство межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и в парах воды?

7. Какие межмолекулярные взаимодействия называются: а) ориентационными, б) индукционными, в) дисперсионными?

8. Чем водородная связь отличается от ковалентной или ионной связи?

 

 

Упражнения

1. Какое положение при сдвиге слоев ионной кристаллической решетки они должны занять, чтобы произошло растрескивание кристалла?

2. Какое положение при сдвиге слоев молекулярной кристаллической решетки они должны занять, чтобы произошло растрескивание кристалла?

3. Сопоставим ли сдвиг слоев ковалентной кристаллической решетки с длиной химической связи или для этого требуется значительно большее смещение слоев, чтобы кристалл раскололся?

4. Известно, что только металлическая кристаллическая решетка обладает пластичностью (ковкостью). При ударе металл деформируется, но не раскалывается в отличие от кристаллов других типов. Обоснуйте указанный факт.

5. Из двух молекул (СCl₄ и СНСl₃) выберите молекулу, дипольный момент которой не равен нулю, и докажите, что наличие полярных связей еще не означает, что молекула будет представлять собой диполь.

6. Чтобы получить кристаллический водород Н₂(т) или хлороводород НCl (т), необходимо газообразный водород охладить до

–259,1⁰ С, а газообразный хлороводород до –114,2⁰ С. Объясните физическую природу различия температур кристаллизации с позиций межмолекулярного взаимодействия.

7. Усилие, прикладываемое к тормозной педали автомобиля ногой, передается на тормозные колодки колес посредством жидкости, перемещающейся по трубопроводу. Обоснуйте указанное техническое решение с позиций межмолекулярного взаимодействия.

 

ТЕМА 4