Общие положения
Молекула -- это самостоятельная частица, устойчивая, электрически нейтральная. Химическая устойчивость молекул относительна, она возможна в тех системах, где расстояния между молекулами намного больше их собственных размеров. Между соседними молекулами возникает взаимное притяжение уже на расстоянии в один нанометр. Начинают действовать электростатические силы притяжения (силы Ван -- дер -- Ваальса) и, иногда, возникает донорно -- акцепторное взаимодействие.
Электростатическое притяжение
Межмолекулярное электростатическое притяжение называют силами Ван -- дер -- Ваальса. Они имеют ряд отличий от химических связей, так ка они:
-
электрической природы;
-
слабые;
-
проявляются на больших расстояниях;
-
ненасыщаемы.
Электростатическое притяжение характеризуется тремя типами межмолекулярного взаимодействия:
-
Ориентационное (диполь -- дипольное) взаимодействие. Характеризуется взаимной ориентацией разноименнозаряженных полюсов полярных молекул при их приближении друг к другу (Рис.1 ). Энергия такого взаимодействия определяется электрическим дипольным моментом молекул. Чем выше дипольный момент и меньше расстояние между молекулами, тем больше энергия взаимодействия.
-
Индукционное взаимодействие. Обусловлено электростатическим взаимодействием полярной и неполярной молекул (Рис. 1). Полярная молекула своим полем воздействует на неполярную, в результате чего появляется наведенный (индуцированный) диполь, способный притягиваться к диполю полярной молекулы. Индуцированный диполь усиливает дипольный момент полярной молекулы. Энергия такого взаимодействия определяется электрическим диполем полярной молекулы и поляризуемостью неполярной молекулы.
-
Дисперсионное взаимодействие. Появляется как результат притяжения мгновенных диполей (микродиполей). Такие диполи появляются, если не совпадают электрические центры тяжести электронного облака и ядер, что вызвано их независимыми колебаниями. Одновременное появление и исчезновение микродиполей молекул сопровождается их притяжением. Если синхронность отсутствует, происходит отталкивание. Дисперсионное взаимодействие может проявляться между любыми молекулами, а потому является универсальным.
Рисунок 1. Типы межмолекулярного взаимодействия: а - ориентационное, б- индукционное, в - дисперсионное
Величина энергий отдельных частей системы в общую энергию межмолекулярного взаимодействия зависит от полярности и поляризуемости молекулы.
Донорно - акцепторное взаимодействие
Донорно - акцепторное взаимодействие образуется за счет электронной пары одной молекулы и свободной орбитали другой. Это взаимодействие:
-
проявляется в первичных процессах многих химических реакций;
-
обусловливает сольвацию молекул и ионов в растворе;
-
лежит в основе каталитических процессов;
-
приводит к образованию новых соединений.
Образование межмолекулярного комплекса состава BF3⋅NH3 из молекул BF3 и NH3:
H3Nδ−−Bδ+F3→H3N⋅BF3
Атом бора в BF3 положительно поляризован, имеет свободную орбиталь и выступает в качестве акцептора. В качестве донора выступает отрицательно поляризованный атом азота NH3 (Рис. 2)
Рисунок 2. Донорно - акцепторное взаимодействие между BF3 и NH3
Энергия межмолекулярного донорно -- акцепторного взаимодействия может колебаться в широких пределах: от 6−12 кДж/моль до 200−250 кДж/моль.
Межмолекулярное донорно - акцепторное взаимодействие обусловливает переход вещества из одного агрегатного состояния в другое (из газообразного состояния в жидкое или твердое).
Молекула дифторида бериллия BeF2 в газообразном состоянии имеет линейное строение.
Рисунок 3.
Между молекулами BeF2 возникает донорно -- акцепторное взаимодействие за счет свободных орбиталей атомов бериллия и неопределенных электронных пар атомов бора. Это становится возможным при понижении температуры. Молекулы BeF2 ассоциируются с образованием полимера BenF2n -- кристалла BeF2 (Рис. 3).
Рисунок 4. Структура кристалла фторида бериллия BeF2
Межмолекулярная водородная связь
Водородная связь по прочности превосходит силы Ван -- дер -- Ваальса, ее энергия составляет 8−40 кДж/моль. Эта связь характерна для соединений водорода с наиболее электроотрицательными элементами:
-
фтором (25−40 кДж/моль);
-
кислородом (13−29 кДж/моль);
-
азотом (8−21 кДж/моль);
-
в меньшей степени -- с хлором и серой.
Чем выше электроотрицательность и меньше размеры атома, тем выше энергия связи.
Водородная связь образуется в результате способности положительно поляризованного атома водорода внедряться в электронную оболочку (не связанного с ним ковалентно) отрицательно поляризованного атома. В результате этого наряду с электростатическим и донорно -- акцепторным взаимодействием возникает водородная связь.
Водородная связь важна при:
-
ассоциации молекул;
-
образовании кристаллогидратов;
-
процессах растворения, кристаллизации;
-
электролитической диссоциации и др.
Например: молекулы фторида водорода в любом агрегатном состоянии ассоциированы в зигзагообразные цепочки вида:
Рисунок 5.
что обусловлено водородной связью.
Водородные связи легко возникают и легко разрываются при комнатной температуре вследствие своей непрочности.
Межмолекулярные водородные связи приводят к изменению некоторых свойств веществ. Повышаются:
-
вязкость вещества;
-
температура кипения и плавления;
-
теплоты плавления и парообразования;
-
диэлектрическая постоянная.