Processing math: 100%
Справочник от Автор24
Найди эксперта для помощи в учебе
Найти эксперта
+2

Энергетические составляющие взаимодействий молекул

В различных физических (фазовые переходы, адсорбция. сольватация и т.д.) и химических процессах существенную роль играют силы межмолекулярного взаимодействия. В отличие от сил химического сродства они на порядок меньше по величине, их действие не приводит к образованию новых и разрушению старых химических связей. Тем не менее в ряде случаев они могут оказывать весьма существенное влияние на ход химических процесов. Так, реакции в различных растворителях могут протекать по различным механизмам, что обусловлено различиями в характере взаимодействия молекул растворителей и реагентов.

Классификация межмолекулярных взаимодействий

Межмолекулярные взаимодействия бывают трех видов:

  1. Индукционные взаимодействия возникают между диполями и неполярными молекулами вследствие поляризации последних под действием электромагнитных полей, создаваемых первыми;
  2. Ориентационные взаимодействия возникают между молекулами, обладающими асимметрией, за счет электростатического взаимодействия зарядов, различных по знаку и величине для различных частей молекул;
  3. Дисперсионные взаимодействия обусловлены флуктуациями электронных плотностей соседних молекул, приводящих к возникновению у них мгновенных электронных моментов.

Индукционные взаимодействия

Пусть неполярная молекула и диполь находятся на одной линии, вдоль которой направлен дипольный момент. Под влиянием поля диполя электронная плотность в неполярной молекуле смещается и она поляризуется, т.е. приобретает наведенный дипольный момент, равный μн = αF, где F - напряженность поля, создаваемого диполем на расстоянии R. Значение F можно вычислить как

F=eR2e(R+Δ)2=2ΔeR3=2μR3 (1)

где Δ -- расстояние между центрами тяжести зарядов диполя, μ -- его дипольный момент. Следовательно

μн=2αμR3 (2)

Энергия взаимодействия диполя и наведенного диполя может быть рассчитана как

ε=e2R+e2R+Δ+e2R+Δнe2R+Δ+Δн (3)

где Δн -- расстояние между центрами тяжести зарядов наведенного диполя. Считая, что Δ, ΔнR, получим

ε=2RΔΔнe2R4 (4)

«Энергетические составляющие взаимодействий молекул» 👇
Помощь эксперта по теме работы
Найти эксперта
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Решить задачу
Помощь с рефератом от нейросети
Написать ИИ

Т.к. по определению μ=Δе, μн=Δне, то

ε=2μμнR3=4αμ2R6 (5)

Энергия, затрачиваемая на поляризацию

εn=2αμ2R6 (6)

Полная энергия индукционного взаимодействия равна

ε=4αμ2R6+2αμ2R6=2αμ2R6 (7)

Средняя энергия индукционного взаимодействия двух произвольно расположенных молекул, одна из которых -- диполь, а вторая -- наведенный диполь, равна

ε=αμ2R6 {8}

Ориентационные взаимодействия

Ориентационные взаимодействия получили свое название потому, что молекулы должны ориентироваться в пространстве энергетически выгодным образом. Например, для двух диполей это будет расположение друг за другом, так что плюс одного будет соседствовать с минусом другого. Очевидно, при достаточно низкой температуре, такая ориентация будет сохраняться. С ростом температуры будет возрастать энергия вращения молекул и ориентация будет ослабевать. Т.е. сила ориентационных взаимодействий зависит от температуры и снижается при ее возрастании. При очень низких температурах, когда энергия взаимодействия существенно больше величины kT (k -- постоянная Больцмана, T -- абсолютная температура), произойдет полная ориентация молекул. Тогда, например, для двух молекул, находящихся на одной линии на расстоянии R друг от друга, энергия взаимодействия будет выражена формулой (4).

При более высоких температурах диполь, хаотично перемещаясь и вращаясь в поле, напряженностью F, позволяет регистрировать некоторое среднее, зависящее от температуры значение проекции момента против направления поля. Эта проекция пропорциональна F. Таким образом возникает некий аналог поляризуемости, называемый эффективной поляризуемостью, которая равна

α=μ23kT (9)

Энергия ориентационных взаимодействий с учетом вероятности различных взаимных ориентаций диполей будет равна

ε=2μ21μ223kTR6 (10)

Т.о., при высоких температурах энергия ориентационного взаимодействия обратно пропорциональна температуре и 6-й степени расстояния между молекулами.

Дисперсионные взаимодействия

Дисперсионные взаимодействия можно рассматривать, используя приближенную аналогию с ориентационными. Поэтому для их энергии можно получить выражение, аналогичное (10), но вместо kT и μ в нем будут другие величины. Если в предыдущих случаях величина kT характеризует энергию теплового движения, препятствующего ориентации при взаимодействии диполей, то мгновенным электронным моментам мешает ориентироваться их кинетическая энергия. Мерой кинетической энергии таких молекул служит потенциал ионизации υ. Поэтому вместо kT подставим в выражение (9) величину υ, получим

α=μ23υ (11)

Выражая μ2 из (11) и подставляя полученное выражение в (10), получим

ε=3α2V4R6 (12)

Взаимодействие разных атомов описывается формулой Ф.Лондона

ε=32α1α21/υ1+1/υ21R6 (13)

Слетэр и Кирквуд связали энергию дисперсионного взаимодействия с числом внешних электронов N и получили формулу энергии взаимодействия одинаковых атомов

ε=3eh8πR6Nα3m (14)

Дисперсионные силы не зависят от температуры. Они существуют в любых системах, где имеются электроны. Вероятность движения электронов в двух молекулах «в такт» ничтожно мала. При этом взаимодействие электронных плотностей нескольких соседних молекул объективно существует.

Соотношение энергий взаимодействий различной природы

Расчеты показывают, что энергии индукционных взаимодействий малы по сравнению с энергиями дисперсионных и ориентационных взаимодействий и ими можно пренебречь.

Для неполярных молекул энергетическая составляющая межмолекулярных взаимодействий обусловлена только дисперсионными силами. Из формулы (14) следует, что энергия дисперсионных взаимодействий растет с числом электронов. В этом заключается основная причина таких фактов, как, например, возрастание температур кипения жидкостей в гомологическом ряду.

У диполей ориентационная составляющая сравнима по величине с дисперсионной. Вклад дисперсионных взаимодействий определяется числом электронов в молекуле. Так, при взаимодействии молекул воды дисперсионные силы почти не играют роли. При отсутствии дипольного момента вода имела бы температуру кипения, близкую к температуре кипения кислорода. В метиловом спирте вклад дисперсионной составляющей увеличивается, а в этиловом он сравним с вкладом ориентационной составляющей. Т.к. дипольные моменты в гомологическом ряду спиртов мало отличаются, то увеличении «веса» дисперсионной составляющей связано с ростом молекулярной массы.

Развитие теории энергии межмолекулярных взаимодействий сделало возможными численные расчеты теплот конденсаии, адсорбции, ассоциации, ван-дер-ваальсовых взаимодействий и т.п.

Дата последнего обновления статьи: 06.07.2024
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
Крупнейшая русскоязычная библиотека студенческих решенных задач
Все самое важное и интересное в Telegram

Все сервисы Справочника в твоем телефоне! Просто напиши Боту, что ты ищешь и он быстро найдет нужную статью, лекцию или пособие для тебя!

Перейти в Telegram Bot

Изучаешь тему "Энергетические составляющие взаимодействий молекул"? Могу объяснить сложные моменты или помочь составить план для домашнего задания!

AI Assistant