8. Водородная связь. Межмолекулярные взаимодействия.

Водородная связь – это связь между“+”атомом водорода одной молекулы и“-” атомом другой молекулы. Вод. связь имеет электростат.и донорно-акцепторный характер.

Водородная связь, как и другие рассмотренные нами типы связей, обусловлена электростатическим взаимодействием, но это взаимодействие осуществляется уже не между атомами, а между молекулами. Таким образом, водородная связь близка к межмолекулярным связям. Все межмолекулярные связи имеют низкую энергию.

Энергия водородной связи низкая: 8 - 40 кДж/моль. схематично изображается точками.

Водородная связь обладает свойствами направленности и насыщаемости, поэтому ее нередко считают одной из разновидностей ковалентной химической связи. Она может быть описана с помощью метода молекулярных орбиталей как трехцентровая двухэлектронная связь.

Водородная связь характерна для спиртов, карбоновых кислот, в том числе высших и нуклеиновых, белков, поэтому, несмотря на низкую энергию связи, водородная связь крайне важна для жизни на Земле.

Межмолекулярное взаимодействие - взаимодействие молекул между собой, не приводящее к разрыву или образованию новых химических связей. В их основе, как и в основе химической связи, лежат электрические взаимодействия.

Когда вещество находится в газообразном состоянии, тогда образующие его частицы (молекулы или атомы) хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их собственными размерами) расстояниях друг от друга. Но уже на расстоянии одного или более нанометров между соседними молекулами возникают силы притяжения. Наиболее ярко эти силы проявляются когда вещество находится в конденсированном состоянии – жидком или твёрдом. Эти силы называемые Ван-дер-Ваальсовыми (в честь голландского учёного, впервые исследовавшего в 1873 году это явление), удерживают частицы жидкости или твёрдого тела друг около друга. Поэтому вещества в конденсированном состоянии имеют в отличие от газов, постоянный при данной температуре объём.

Ван.силы заметно уступают химическому связыванию. Напр., силы, удерживающие атомы Cl в молекуле Cl почти в 10 раз >, чем силы, связывающие мол. Cl₂ м|у собой. Но без этого слабого межмолекулярного притяжения нельзя получить жидкий и твердый хлор.

Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия между молекулами имеют электрическую природу и способны проявляться в трёх различных формах. Различают: ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействие. Ориентационное взаимодействие:

Полярные молекулы, в которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, например HCl, H₂O, NH₃, ориентируются таким образом, чтобы рядом находились концы с противоположными зарядами. Между ними возникает притяжение.

Для взаимодействия двух диполей энергия притяжения между ними (энергия Кьезома) выражается соотношением: E_К =Е _ор= − μ₁² μ₂² / 8π²ε₀ l⁶,

где μ₁ и μ₂ - дипольные моменты взаимодействующих диполей,

l - расстояние между ними, ₀ –электрическая постоянная.

Притяжение диполь-диполь может осуществляться только тогда, когда энергия притяжения превышает тепловую энергию молекул; обычно это имеет место в твердых и жидких веществах. Диполь-дипольное взаимодействие проявляется в полярных жидкостях (вода, фтороводород). Индукционное взаимодействие

Если рядом с полярная молекула окажется полярная рядом с неполярными, она начнет влиять на них. Поляризация нейтральной частицы под действием внешнего поля (наведение диполя) происходит благодаря наличию у молекул свойства поляризуемости . Постоянный диполь может индуцировать дипольное распределение зарядов в неполярной молекуле. Под действием заряженных концов полярной молекулы электронные облака неполярных молекул смещаются в сторону положительного заряда и подальше от отрицательного. Неполярная молекула становится полярной, и молекулы начинают притягиваться друг к другу, только намного слабее, чем две полярные молекулы. Индукционное взаимодействие тем значительнее, чем > поляризуемость  неполярной мол. и дипольный момент  полярной мол.

Энергия притяжения между постоянным и наведенным диполем (энергия Дебая) определяется выражением:

E_Д =Е_инд = − μ_нав² / 8₀r⁶,где μ_нав - момент наведенного диполя.

Притяжение постоянного и наведенного диполей обычно очень слабое, поскольку поляризуемость молекул большинства веществ невелика. Оно действует только на очень малых расстояниях между диполями. Этот вид взаимодействия проявляется главным образом в растворах полярных соединений в неполярных растворителях. Дисперсионное взаим.:

Между неполярными молекулами также может возникнуть притяжение. Электроны, которые находятся в постоянном движении, на миг могут оказаться окажется сосредоточенными с одной стороны молекулы, то есть неполярная частица станет полярной. Это вызывает перераспределение зарядов в соседних молекулах, и между ними устанавливаются кратковременные связи:

В некоторый момент времени существует вероятность такого состояния, когда электроны атомов сместились в одну сторону, тогда мы получили два мгновенных диполя.

Энергия такого взаимодействия (энергия Лондона) дается соотношением:

,где Е_I – энергия ионизации.

Лондоновские силы притяжения между неполярными частицами (атомами, молекулами) являются весьма короткодействующими. Значения энергии такого притяжения зависят размеров частиц и числа электронов в наведенных диполях. Эти связи очень слабые - самые слабые из всех межмолекулярных взаимодействий. Однако они являются наиболее универсальными, так как возникают между любыми молекулами.

Дисперсные силы не зависят от температуры, так как скорость движения электронов от температуры не зависит, они увеличиваются с ростом электронов в молекулах. Дисперсионное взаимодействие происходит между молекулами всех веществ, одинаковыми или различными, полярными или неполярными.

Е_дисп ≠ ƒ(Т) Следовательно полная потенциальная энергия Ван-дер-ваальсовых сил притяжения равна сумме: ∑Е = Е_ориент + Е_индук + Е_дисп

Для каждого вида этих сил для молекул различно. Так для таких веществ, как жидкие Н₂, N₂, Не₂ – дисперсионным силам принадлежит 100%; у молекулы Н₂О – 77% ориентационное, 4,0% индукционное, 19% дисперсионное взаимодействие. NH₃ – 44,6% ориентационное, 5,4% индукционное, 50% дисперсное взаимодействие.

Ван-дер-ваальсова (межмолекулярная) связь – наиболее унив. вид межмол. связи, обусловлен дисперсионными силами (индуцированный диполь – инд. диполь), индукционным взаимодействием (постоянный диполь – индуцированный диполь) и ориентационным взаимодействием (постоянный диполь – постоянный диполь). Энергия ван-дер-ваальсовой связи < водородной и составляет 2–20 кДж∙моль^–1.