Силы межмолекулярного взаимодействия.Ионная связь.Ковалентная связь.Силы Ван-дер-Ваальса.Потенциал Ленарда-Джонса.

Силы связи в молекулах. Электроны около ядра в атоме удерживаются кулоновскими силами притяжения разноименных зарядов. Атом в целом электрически нейтрален. Молекулы состоят из атомов. Силы, удерживающие вместе атомы в молекуле, по своей природе также являются электрическими, однако возникновение их несколько сложнее. Существует в основном два типа связей атомов в молекуле. Ионная связь. Сила связи различных электронов в атоме с атомом в целом различна. Она зависит от строения атома. Строение атомов и законы движения электронов в них рассматриваются в квантовой механике. Здесь необходимо лишь знать, что в некоторых случаях имеются электрон или несколько электронов, которые очень слабо связаны с соответствующим атомом в целом. Эти элект-роны легко теряются атомом, в результате чего обрауется положительно заряженный ион. В других случаях, наоборот, не только все электроны очень крепко связаны с атомом, но при благоприятных условиях атом охотно захватывает электрон или даже два электрона и превращается в отрицательно заряженный ион. Такие атомы при образовании молекулы превращаются в ионы с отрицательным знаком заряда. Между ионами действуют кулоновские силы притяжения, которые и обеспечивают образование молекулы, К числу таких молекул относится, например, молекула хлористого натрия NaCl, структура которой в виде ионов может быть записана как Na+Cl-, т. е. Na+ является положительным ионом, а С1- — отрицательным. Многие другие молекулы также обязаны своим существованием ионной связи. Потенциальная энергия притяжения ионов Na+ и С1~ равна

где г0 — расстояние (равновесное) между ионами. Наряду с этой энергией имеется положительная энергия, связанная

с силами отталкивания между ионами при их очень большом сближении, поскольку они не могут проникнуть друг в друга. Эти силы велики лишь на малых расстояниях между ионами и быстро убывают с расстоянием. С физической точки зрения ионная связь характеризуется полным обменом зарядом (электроном) между ионами. При частичном обмене возникает ковалентная связь. Ковалентная связь. Силы, действующие на отрицательный заряд со стороны положительных, взаимно уравновешиваются. В этом и состоит процесс возникновения ковалентной связи. Межмолекулярные силы в твердых телах. Твердое состояние возникает тогда, когда энергия связи молекул значительно больше кинетической энергии их теплового движения. В результате этого возникает упорядоченная кристаллическая структура, соответствующая минимуму свободной энергии. Ионные и ковалентные связи являются важными для удержания не только атомов в молекуле, но и молекул и атомов в твердом теле. В результате образуется кристаллическая структура твердого тела. Если кристаллическая структура возникает за счет ковалентной связи, то кристаллы называются ковалентными, а если а счет ионной связи — ионными. Механизм образования ковалентной связи показывает, что у ковалентных кристаллов электроны не очень строго локализованы в окрестности ионов, составляющих решетку кристалла. Осуществляющие ковалентную связь электроны распределяются между ионами, причем обычно концентрируются вдоль некоторых выделенных направлений, которые называются направлением связей. Моделью ионного кристалла является совокупность непроницаемых заряженных сфер, между которыми действуют кулоновские силы, причем определяющую роль играют силы притяжения между разноименно заряженными сферами.Следующим типом кристаллов являются молекулярные кристаллы, когда в узлах кристаллической решетки располагаются молекулы. Между молекулами в этом случае действуют очень слабые силы, называемые ванн-дер-ваальсовыми.. У металлов, или металлических кристаллов, ковалентная связь усиливается и приводит к тому, что плотность электронов между остовами ионов достигает заметных значений, а электроны, осуществляющие связь между ионами, практически потеряли всякую связь с ионами, от которых они произошли, и могут рассматриваться как общие электроны всего кристалла. В кристалле получается электронный газ. Возникающая при этом связь называется металлической. Важную роль в образовании связей в твердых телах играет водородная связь. По своей физической природе она не является отдельным типом связи. Но по своей роли ее целесообразно выделить в отдельную категорию. Это обусловлено особенностями строения атома водорода. Во-первых, ионом атома водорода является протон, размеры которого примерно в 105 раз меньше всех других ионов. Поэтому практически этот ион можно считать точечным. Во-вторых, электрон в атоме водорода очень сильно привязан к ионному остову (протону). Ионизационный потенциал атомарного водорода около 13,5 эВ, что в несколько раз больше ионизационного потенциала для других атомов. Это означает, что при образовании ионных кристаллов он ведет себя иначе, чем другие элементы, в частности протон как бы «садится» непосредственно на поверхность отрицательного иона, в результате чего возникают такие структуры, которые невозможны при наличии любых других ионов.

Силы Ван-дер-Ваальса. При сравнительно больших расстояниях между молекулами действуют силы притяжения, называемые силами Ван-дер-Ваальса. Эти силы

возникают вследствие того, что при небольшом смещении отрицательных и положительных зарядов в нейтральной молекуле она перестает быть нейтральной в электрическом отношении, превращаясь в диполь, т. е. совокупность разноименных, одинаковых по абсолютному значению, расположенных на близком друг от друга расстоянии зарядов. Диполь характеризуется электрическим моментом, равным произведению заряда на расстояние между зарядами. Диполь создает в пространстве вокруг себя электрическое поле, обусловленное полями обоих зарядов диполя. Ясно, что напряженность этого поля не равна нулю, поскольку расстояния до зарядов диполя от точек пространства различны и, следовательно, поля противоположных зарядов диполя не компенсируют друг друга. С другой стороны, на диполь действуют силы со стороны внешнего электрического поля, в котором находится диполь, если только это поле не однородно