атомы | Не | Н | С 1 молекулы | Н2 | 02 | СН4 |
В 0.21 | 0.66 | В мол | 0.76 | 1.6 | 2.6 1 |
Многие молекулы обладают электрическими дипольными моментами в отсутствие электрического поля. Это так называемые полярные молекулы, которые не симметричны даже в нормальном состоящих. К ним относятся все двухатомные молекулы, состоящие по различных атомов, и многочисленные молекулы с несимметричным строением (например, молекулы воды, аммиака и др.). Собственные дипольные моменты, как правило, гораздо больше индуцированных моментов.
Ориентационное взаимодействие (взаимодействие типа жесткий диполь - жесткий диполь) имеет место только для полярных молекул. При сближении молекула действующие на них силы стремятся развернуть их электрические диполи так, чтобы они стали параллельными друг другу, в то время как тепловое движение стремится нарушить их взаимную ориентацию. Потенциальная энергия ориентационного взаимодействия молекул Uop зависит не только от расстояния между молекулами, но и от температуры:
Здесь p1 и р2 - дипольные моменты взаимодействующих молекул.
Индукционное взаимодействие (взаимодействие типа жесткий диполь - индуцированный диполь) обычно дает небольшой вклад в полную энергию. Индукционные силы действуют между полярной и неполярной молекулами, а также между двумя полярными молекулами, Полярная молекула создает электрическое поле, которое поляризует другую молекулу - индуцирует в ней дипольный момент. Вклад в энергию, где pi - собственный дипольный момент первой молекулы, В - поляризуемость второй молекулы. Очевидно, что индукционный эффект тем значительнее, чем легче деформируется молекула, т. е. чем больше ее поляризуемость.
Этими двумя слагаемыми межмолекулярное притяжение не исчерпывается. Ориентационное и индукционное взаимодействия составляют лишь часть Ван-дер - Баальсовского притяжения, причем для многих веществ - меньшую его часть. Для таких же веществ, как благородные газы (Ее, We, at и др.) оба слагаемые вообще равны нулю. Атомы благородных газов обладают высокой электрической симметрией, ввиду чего невозможно приписывать им в статическом состоянии постоянный дипольный или даже квадрупольный момент. Тем не менее благородные газы сжижаются. Это свидетельствует еще об одной составляющей межмолекулярных сии. Какова же ее природа?
Дисперсионный эффект. Третий источник межмолекулярного притяжения - взаимодействие мгновенных диполей (индуцированный диполь - индуцированный диполь). Этот эффект, имеющий квантовомехани-ческую природу, получил название дисперсионного эффекта. Дисперсионные силы являются разновидностью самовозбуждающихся сил и
возникают из-за корреляции в флюктуацпях распределения электронной плотности соседних молекул. Флюктуации электронной плотности в одной молекуле вызывают появление у нее мгновенного диполъного момента, который, в свою очередь, индуцирует мгновенный диполь-ный момент в другой молекуле. Два образовавшихся диполя притягиваются друг к другу. Сила притяжение в этом случае определяется поляризуемостью обеих молекул, а энергия взаимодействия зависит от расстояния между молекулами как (г"6}.
Остается понять, почему происходят флюктуации электронной плотности, т. е. причину появления мгновенных дипольных моментов у молекулы. Хорошей моделью атомов и молекул является их представление в виде квантовых гармонических осцилляторов, которые в отличие от классических осцилляторов совершают колебания даже при абсолютном нуле температуры (так называемые нулевые колебания). Именно вследствие не исчезающих ни при каких условиях квантовых нулевых колебаний (их энергия hv/2, v частота осциллятора) и происходит смещение зарядов в молекуле, т. е. появление мгновенных диполей, величина и направление дипольных моментов которых хаотически меняется во времени. (В среднем по времени дипопьный момент неполярной молекулы оказывается равным нулю).
Таким образом, дисперсионные силы связаны с существованием нулевой энергии колебаний квантовых осцилляторов. Потенциальная энергия может быть записана в виде
Uдисп - - В1*В2r-6,
где В1 и В2 - поляризуемости молекул. Отметим, что дисперсионные
силы действуют между всеми молекулами и атомами.
Относительный вклад различных эффектов в полную энергию межмо-лекулярного притяжения различен. Для молекул воды, например, ори-
ентационные силы почти в три раза больше дисперсионных, в то время как для молекул СО, HJ, НВг дисперсионные силы в десятки и сотни раз превышают все остальные. Как правило, наименьшую величину имеет индукционное взаимодействие. Соотношение между ориентационным и дисперсионными взаимодействиями зависит от природы молекул: чем полярнее молекула, тем больший вклад вносит ориентационный эффект.
АРТОБОЛЕВСКАЯ Елена Сергеевна
ЛЮБУТИНА Людмила Григорьевна
СОКОЛОВ Валерий Петрович
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
