Межмолекулярные силы против теплового взаимодействия

Все вокруг нас представляет собой материю, обладающую некоторыми физическими и химическими свойствами. Окружающая нас материя существует в разных состояниях. Чтобы материя находилась в разных состояниях, между атомами этой материи должна существовать какая-то сила, удерживающая атомы вместе. Давайте поймем эти силы, которые ответственны за существование материи. Силы можно понимать как некую застежку, которая удерживает вещи или связывает их вместе.

В случае атомов необходима какая-то сила, чтобы удерживать атомные частицы электроны, протоны и нейтроны внутри атома и удерживать их вместе для стабильности атомов. Электроны движутся по круговым орбитам вокруг ядра атома из-за различных сил, которые обеспечивают стабильность.

Межмолекулярные силы

Intermolecular forces can be defined as the attraction or repulsion forces that are applied to atoms and molecules when they interact with each other whether at the time of phase change or in chemical reactions. Electrostatic forces which are present between ions having different charges are not considered intermolecular forces.

Эти межмолекулярные силы также известны как силы Ван-дер-Ваальса , если они имеют притягательную природу. В честь великого ученого Иоганна ван дер Ваальса межмолекулярные силы называются силами Ван дер Ваальса , потому что он объяснил концепцию поведения реальных газов, которая отличается от идеального поведения при стандартной температуре и давлении.

По мере увеличения межмолекулярного притяжения температура кипения повышается. И наоборот, межмолекулярные силы различных веществ можно оценить, сравнивая их температуры кипения. Это связано с тем, что тепло при температуре кипения вызывает разрушение межмолекулярных связей, превращая жидкость в пар. Точно так же температура плавления повышается по мере того, как межмолекулярные взаимодействия становятся более интенсивными.

Типы межмолекулярных сил

Межмолекулярные силы в основном бывают пяти типов, как описано ниже:

Дисперсионные силы или лондонские силы

Dispersion Forces or London Forces can be defined as the attraction forces which are being applied between two temporary dipoles. These forces distort the electron cloud density of atoms. These forces are attractive in nature and these are named after a  German physicist Fritz London and that’s why they are also known as London Forces.

Давайте разберемся с этими силами на примере, возьмем два атома X и Y, которые очень близки друг к другу, но не соприкасаются, поэтому распределение заряда в любой момент времени, если в каком-либо из атомов нарушится, то из-за действия сил Лондона. облако зарядов других атомов также возмущается.

Диполь-дипольные силы

Dipole-Dipole Forces can be defined as the forces which act between the molecules having permanent dipole. The dipole can be understood as a pair of opposite charges on a molecule or on a bond. 

Давайте разберемся на примере диполь-дипольных сил, действующих между молекулами HCl, поскольку молекулы HCl имеют постоянные диполи и благодаря этому на стороне Cl плотность электронного заряда облака больше, чем на стороне водорода.

Дипольно-индуцированные дипольные силы

Dipole–Induced Dipole Forces can be defined as the attraction forces which are being applied between two molecules in which one has a permanent dipole and the other does not have a permanent dipole. Hence the molecule with permanent dipole induces the dipole to the other molecule which is electrically neutral and hence distorts the electronic charge cloud.

Ион-дипольные взаимодействия

Это притяжение между полярной молекулой и ионом (катионом или анионом). Когда NaCl растворяется в воде, полярные молекулы воды притягиваются к ионам Na ⁺ и Cl- ⁽ процесс, известный как ионная гидратация). Прочность этого контакта определяется дипольным моментом и размером полярной молекулы, а также зарядом и размером иона. Поскольку катион имеет более высокую плотность заряда, чем анион с таким же зарядом, этот контакт обычно сильнее с катионом. Кроме того, поскольку CCl ₄ неполярен, он не может взаимодействовать с катионами Na ⁺ и Cl ^– . В результате NaCl нерастворим в CCl ₄ .

Поскольку заряд любого иона существенно больше заряда дипольного момента, силы ион-дипольного притяжения сильнее, чем диполь-дипольные взаимодействия.

Ионно-индуцированные дипольные взаимодействия

Присутствие иона рядом с неполярной молекулой может привести к ее поляризации, в результате чего она станет индуцированным диполем. Ионно-индуцированные дипольные взаимодействия — это взаимодействия между ними. Интенсивность этих взаимодействий определяется зарядом иона и ситуацией, в которой неполярная молекула поляризуется. Анион поляризует молекулу за счет отталкивания, тогда как катион поляризует ее за счет притяжения электронного облака.

Гемоглобин, например, присутствует в красных кровяных тельцах (эритроцитах). В его ядре находится ион Fe2+, который притягивает ион O2 благодаря ионно-индуцированной дипольной силе.

Термальная энергия

Энергия, содержащаяся внутри системы, которая отвечает за ее температуру, называется тепловой энергией . Перенос тепловой энергии называется теплотой. Термодинамика — это дисциплина физики, изучающая, как тепло передается между системами и как при этом совершается работа (см. первый закон термодинамики).

Thermal Energy can be defined as the energy which arises due to the motion of atoms and molecules of any system. The motion of particles of a system is known as thermal motion which gives rise to thermal energy and this thermal energy varies directly with the temperature. 

Энергия отдельной частицы из-за движения известна как кинетическая энергия, но средняя энергия всех частиц дает меру тепловой энергии.

Разница между тепловой энергией и межмолекулярными силами

Примеры вопросов

Вопрос 1: Почему жидкости и твердые тела трудно сжимать?

Отвечать:

Molecules of the same or different elements exert repulsive forces also on each other. When two molecules come very close to each other, the force of repulsion between the electron clouds of the molecules and the force between the nuclei of two molecules comes into existence. The strength of these repulsion forces rises very rapidly as the distance between the molecules decreases and vice versa. This is the reason that liquids and solids are hard to compress.

Вопрос 2: Что такое водородная связь?

Отвечать:

Hydrogen bonding can be understood as a special powerful type of dipole-dipole interaction. Hydrogen bond formation is shown by only a few elements so it is kept separately from other intermolecular forces. Molecules which are strongly polar shows the tendency to form hydrogen bonding so molecules of Nitrogen, Oxygen and Fluorine are able to make hydrogen bonds.

Вопрос 3: Как энергия взаимодействия лондонских сил зависит от расстояния между двумя частицами?

Отвечать:

The interaction energy of London forces varies inversely to the sixth power of the distance between two particles.  

Interaction Energy ∝ 1/x⁶  

where x is the distance between two particles

Вопрос 4: Ограничена ли водородная связь только молекулами азота, кислорода и фтора?

Отвечать:

Yes, it is true that hydrogen bonding is considered limited to Nitrogen, Oxygen and Fluorine, but there are some special cases where hydrogen bonding can be seen in Chlorine also. Hydrogen bonds have a large amount of energy somewhat between 10 to 100 kJ mol^-1, so hydrogen bonds are very powerful hence these helps in the determination of the structure and properties of many compounds.

Вопрос 5: Как энергия взаимодействия диполь-дипольных сил зависит от расстояния между двумя частицами?

Отвечать:

Dipole-dipole forces are between polar molecules which are of two types one is Stationary and the other is Rotating. The interaction energy of dipole-dipole forces varies inversely to the third power of the distance between two particles in the case of stationary polar molecules. 

Interaction Energy ∝ 1/x³  

where x is the distance between two 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 particles.