Межмолекулярные силы - определение, типы, уравнения, примеры

Характеристики химических систем можно наблюдать, когда они представляют объемные свойства материи. Например, отдельная молекула не кипит, а масса кипит. Совокупность молекул воды обладает смачивающими свойствами, а отдельные молекулы — нет. Вода, как и всякая материя, может находиться в разных состояниях. Он существует в виде льда в твердом состоянии, в виде жидкости и в газообразном состоянии в виде пара или пара. Физические свойства всех трех состояний материи очень различны. Однако, даже если физические свойства меняются, химические свойства не меняются. Но мы должны отметить, что скорость химических реакций несколько зависит от физического состояния.

Поэтому, чтобы понять различные состояния материи и их структуры, нам необходимо понять, что такое межмолекулярные силы, молекулярные взаимодействия, их природу, действие тепловой энергии и движение частиц. Баланс всех этих параметров определяет физическое состояние вещества.

The forces of attraction and repulsion between interacting atoms and molecules are called intermolecular forces.

Эти межмолекулярные силы ответственны за большинство химических и физических свойств материи. Например, чем больше межмолекулярные силы, тем выше температура кипения. Можно с уверенностью заключить, что температура кипения элемента прямо пропорциональна силе его межмолекулярных сил.

Силы Ван-дер-Ваальса представляют собой межмолекулярные силы притяжения. Они сильно различаются по величине и соответственно классифицируются. К ним относятся дисперсионные силы или силы Лондона, дипольные силы, индуцированные диполем, и диполь-дипольные силы. Водородная связь представляет собой диполь-дипольное взаимодействие, но рассматривается отдельно, поскольку лишь несколько элементов могут участвовать в образовании водородной связи.

Note: Ion-dipole forces are also intermolecular forces, but are not considered under van der Waals forces. We can use the boiling point of an element as the parameter to categorize the intermolecular forces.

Дисперсионные силы или лондонские силы

Дисперсионные силы или лондонские силы возникают из-за движения электронов, создающих временный положительный и отрицательный заряд. Это происходит в основном в атомах и неполярных молекулах, которые электрически симметричны и не имеют дипольного момента.

Как мы видим на изображении выше, мы сначала рассматриваем два атома A и B, у которых нет дипольного момента. Затем мы можем видеть атом A с мгновенным диполем с большей электронной плотностью справа, а атом B с индуцированным диполем. В заключительной части мы можем наблюдать, как атом А имеет большую электронную плотность в левой части. Атом B с индуцированным диполем.

Лондонские силы действуют на коротком расстоянии (~ 500 пм), и их величина во многом зависит от поляризуемости частицы. Это самая слабая сила из всех межмолекулярных сил.

Диполь-дипольные взаимодействия

Полярные молекулы — это те молекулы, которые имеют чистый диполь из-за противоположных зарядов на обоих концах. У них есть диполь-дипольные взаимодействия как силы притяжения. Их постоянные диполи из-за разной электроотрицательности атомов связаны ковалентной связью. Частично положительная часть полярной молекулы притягивает частично отрицательную часть другой молекулы.

Например, молекулы HCl имеют диполь-дипольные взаимодействия.

Водород менее электроотрицателен по сравнению с хлором. Таким образом, хлор приобретает частично отрицательный заряд, а водород получает частично положительный заряд. Таким образом, между молекулами HCl имеет место диполь-дипольное взаимодействие.

Водородная связь

Как упоминалось ранее, это частный случай диполь-дипольного взаимодействия. Это встречается в основном в молекулах, в которых присутствуют высокополярные связи OH, HF или NH.

Водородная связь в основном считается ограниченной азотом, кислородом и фтором, но в некоторых случаях такие вещества, как хлор, также участвуют в водородной связи.

Ион-дипольные взаимодействия

Это точно так же, как диполь-дипольные взаимодействия, за исключением того, что они возникают между полярными молекулами и ионами. Сила ион-дипольных взаимодействий зависит от следующего:

• Размер полярной молекулы.
• Заряд и размер иона.
• Величина дипольного момента.

Например, когда NaCl смешивается с водой, молекулы H2O (полярные) притягиваются к ионам Na (натрия) и Cl (хлора) в стакане.

Ионно-индуцированные дипольные взаимодействия

В дипольных взаимодействиях, индуцированных ионами, ион поляризуется неполярной молекулой. Неполярные молекулы ведут себя как индуцированные диполи, когда получают заряд.

Это взаимодействие между ионом и индуцируемым диполем является ионно-индуцированным дипольным взаимодействием.

Дипольно-индуцированные дипольные взаимодействия

Дипольные взаимодействия, индуцированные диполем, аналогичны взаимодействиям, индуцированным ионами, за исключением того, что неполярные превращаются в индуцированные диполи из-за присутствия полярной молекулы.

Эти силы действуют между полярными молекулами, имеющими постоянный диполь, и молекулами, не имеющими постоянного диполя.

Примеры вопросов

Вопрос 1: В чем разница между межмолекулярными силами и тепловыми взаимодействиями?

Отвечать:

The difference between Intermolecular Forces and Thermal Interactions are as follows:

Intermolecular Forces	Thermal Interactions
The forces of attraction and repulsion between interacting atoms and molecules are called intermolecular forces.	The total measure of the sum of the kinetic energy of all the atoms and molecules is called thermal energy.
These forces are due to the dipole of one or both the given molecules.	These forces are due to the motion of particles.
Greater intermolecular forces lead to the substance being in the solid state.	Greater thermal interactions will not allow the substance to remain in the solid state.
These forces hold particles together.	These forces keep particles apart.
They do not have any effect due to the temperature, but the boiling point of the substance is directly proportional to the strength of the forces.	Thermal energy is directly dependent/proportional to temperature.
Intermolecular forces are weak in the gaseous phase and strongest in solid state.	Thermal forces are weak in solid state and high in the gaseous phase.
The volume of the given matter is less when the intermolecular forces are high.	The volume of the given matter is more when the thermal interactions are high.
Gases can’t be liquefied on compression only due to the strong intermolecular forces.	Gases can be easily liquefied by reducing the thermal energy by lowering the temperature.
Predominance of the Intermolecular Forces	Predominance of the Thermal Interactions

Вопрос 2: Что такое водородная связь?

Отвечать:

Hydrogen Bonding is a special unique case of dipole-dipole interaction. Dipole-dipole interactions are the attractive forces on polar molecules. Hydrogen Bonding is found in mostly molecules in which highly polar O-H, H-F, or N-H bonds are present. It is mostly regarded to be limited to Nitrogen, Oxygen and Fluorine, but in some cases, species such as Chlorine also participate in Hydrogen bonding.  

Вопрос 3: Объясните энергию взаимодействия дисперсионных сил и диполь-дипольных взаимодействий.

Отвечать:

Dispersion Forces or London Forces are those which arise due to the movement of electrons, creating a temporary positive and negative charge. London forces operate for a short distance (~500 pm) and their magnitude depends largely on the polarisability of the particle. The interaction energy of the dispersion forces is inversely proportional to the sixth power of the distance between two particles.

Interaction Energy α 1/x⁶, where x is the distance between two given particles.

Dipole-dipole interactions are the attractive forces on polar molecules. They are between polar molecules that are mostly of two types. The first type is stationary, while the other is rotating. 

The interaction energy of dipole-dipole interactions is inversely proportional to the third power of the distance between two particles in the case of stationary polar molecules.  

Interaction Energy α 1/x³, where x is the distance between two given particles.

The interaction energy of dipole-dipole forces varies inversely to the sixth power of the distance between two particles in the case of rotating polar molecules.

Interaction Energy ∝ 1/x⁶, where x is the distance between two given particles.

Вопрос 4: Почему лед имеет меньшую плотность, чем вода?

Отвечать:

Hydrogen Bonding affects the physical properties of compounds. Ice has hydrogen bonding as intermolecular forces. Thus, it has a lower density than water because of hydrogen bonding and cage-like structure of ice.

Ice has hexagonal three-dimensional crystal structure (as per X-ray crystallographic data). This hexagonal crystal structure is formed  due to intermolecular hydrogen bonding.

When ice melts, most of the hydrogen bonds break and some of the empty spaces are occupied by water molecules. Liquid water molecules are thus more closely packed together than molecules in ice. Thus, ice has a lower density than water.

Вопрос 5: Вода имеет максимальную плотность при 4 ^{градусах} по Цельсию. Почему?

Отвечать:

Water molecules in ice exist in a crystal lattice with a lot of empty space. 

When ice melts into liquid water, the density of the water increases as the structure starts to break and collapse. As we increase the temperature, the molecules start moving faster and get further apart. As the temperature increases, the density decreases. At temperatures nearing 0^oC, water still has several ice-like clusters. As the temperature of warm water decreases, the water molecules slow down and the density increases. At 4^oC, the clusters start forming. The molecules are still slowing down and coming closer together, but the formation of clusters makes the molecules be further apart. Cluster formation is the bigger effect, so the density starts to decrease. Thus, the density of water is a maximum at 4^oC. 

Вопрос 6: От чего зависит прочность водородных связей?

Отвечать:

Strength of Hydrogen Bonds depends on the coulombic interaction between the lone-pair electrons of one electronegative atom of a molecule and the hydrogen atom of another molecule.