§ 13. Межмолекулярные взаимодействия

Определения и обозначения

Межмолекулярные взаимодействия — силы притяжения и отталкивания между частицами, не сопровождающиеся образованием новых химических связей. Внутримолекулярные связи удерживают атомы в одной молекуле, а межмолекулярные действуют между отдельными частицами. Это различие помогает понять, почему при испарении обычно расходуется меньше энергии, чем при химическом разложении вещества.

Межмолекулярное притяжение — составляющая взаимодействия, которая удерживает молекулы на некотором расстоянии друг от друга. Оно влияет на агрегатное состояние и на то, сколько энергии требуется, чтобы разделить частицы. Благодаря этому понятию можно связывать устройство вещества с его физическими свойствами.

Водородная связь — особый вид притяжения между атомом водорода, уже связанным с электроотрицательным атомом, и другим электроотрицательным атомом. Обычно речь идёт об атомах O, N или F и неподелённой электронной паре одного из них. Это определение помогает отличить водородную связь от обычной ковалентной связи H с O, N или F.

Диполь-дипольное взаимодействие — притяжение между постоянными диполями полярных молекул. Диполь — это частица, в которой положительный и отрицательный заряды разделены в пространстве. Представление о диполях позволяет объяснить, почему полярность молекул влияет на их притяжение.

Как это устроено

В химической связи электронная плотность не всегда распределена равномерно: более электроотрицательный атом сильнее притягивает общие электроны. Поэтому на участках молекулы появляются небольшие частичные заряды, обозначаемые δ⁺ и δ⁻. Когда молекулы сближаются, участки с противоположными частичными зарядами притягиваются, и возникает межмолекулярное взаимодействие. Его результат зависит от строения молекул и расстояния между ними.

Если молекула полярна, её частичные заряды не компенсируются, и она обладает постоянным дипольным моментом. При сближении такие молекулы стремятся расположиться так, чтобы разноимённые частичные заряды оказались рядом. Поэтому диполь-дипольное притяжение зависит от взаимной ориентации: при одном расположении оно сильнее, при другом слабее. Движение молекул мешает им сохранять одну ориентацию, но среднее притяжение всё равно влияет на свойства вещества.

Неполярная молекула в целом не имеет постоянного диполя, однако её электроны постоянно движутся. Случайное смещение электронов на короткое время создаёт неравномерное распределение зарядов — временный диполь. Его электрическое поле смещает электроны в соседней частице и вызывает наведённый диполь; между частицами появляется притяжение. Такие дисперсионные силы возможны между любыми атомами и молекулами, а их вклад часто растёт с поляризуемостью, то есть с лёгкостью смещения электронной оболочки.

Водородная связь возникает, если атом H связан с O, N или F: из-за сильного смещения электронной плотности водород приобретает выраженный частичный положительный заряд. Он притягивается к неподелённой электронной паре O, N или F в соседней молекуле. Такое взаимодействие направленно, потому что для него важна геометрия расположения частиц. Водородные связи обычно заметно сильнее обычных межмолекулярных взаимодействий и потому способны существенно менять свойства вещества.

При сближении молекул притяжение сначала становится сильнее, поскольку заряженные участки воздействуют друг на друга интенсивнее. Но на очень малом расстоянии электронные оболочки начинают сильно отталкиваться: их нельзя безгранично сблизить. В результате между частицами устанавливается расстояние, при котором притяжение и отталкивание уравновешиваются. Этот баланс объясняет, почему молекулы в жидкости удерживаются рядом, но не сливаются в одну частицу.

Основные виды межмолекулярного взаимодействия

Таблица показывает условия возникновения водородной связи и её особенности. Проверяйте последовательно, подходит ли атом водорода и есть ли рядом атом с неподелённой электронной парой. Указание на молекулы воды служит примером того, как такая связь возникает между частицами одного вещества.

Разбор задач

Задача 1. Сравнить межмолекулярные взаимодействия в жидком HCl и жидком Cl₂. Указать, какие виды взаимодействия возможны в каждом веществе.

1. Определим полярность: в молекуле HCl атомы имеют разную электроотрицательность, поэтому распределение заряда неравномерно. HCl — полярная молекула.
2. Постоянные диполи соседних молекул HCl притягиваются разноимёнными частичными зарядами. Кроме того, в HCl, как и в других частицах, действуют дисперсионные силы.
3. В молекуле Cl₂ одинаковые атомы, поэтому постоянного диполя нет. Однако электронное облако может смещаться, значит, между молекулами возможны дисперсионные взаимодействия.

Ответ: в жидком HCl действуют диполь-дипольное и дисперсионное взаимодействия; в жидком Cl₂ — дисперсионное. Водородной связи в этих веществах не ожидают: водород в HCl не связан с O, N или F.

Задача 2. Объяснить, почему температуры кипения H₂O и H₂S различаются, хотя молекулы имеют сходный состав и форму.

1. Сначала проверим возможность водородной связи. В воде атомы H связаны с O, а у соседних молекул есть неподелённые электронные пары атомов O.
2. Между молекулами H₂O возникают водородные связи. Чтобы молекулы покинули жидкость и перешли в газ, значительную часть этих притяжений нужно преодолеть.
3. В H₂S связи H–S не создают сопоставимых водородных связей. Межмолекулярное притяжение там слабее, поэтому для кипения требуется меньше энергии.

Ответ: температура кипения воды существенно выше, поскольку водородные связи усиливают притяжение между её молекулами. Сходство формы молекул не означает одинаковой силы межмолекулярных взаимодействий.

Задача 3. Упорядочить по возрастанию температуры кипения CH₄, SiH₄ и GeH₄ и объяснить полученный порядок.

1. Все три молекулы симметричны и неполярны, поэтому постоянных диполь-дипольных взаимодействий между ними нет. В основном учитываем дисперсионные силы.
2. От C к Si и далее к Ge увеличиваются размер атома и число электронов. Электронные оболочки легче смещаются, то есть поляризуемость обычно возрастает.
3. Более сильные дисперсионные силы труднее преодолеть при переходе жидкости в газ. Поэтому температура кипения повышается вместе с размером частиц.

Ответ: CH₄ < SiH₄ < GeH₄ по температуре кипения. В этом ряду усиливаются дисперсионные взаимодействия вследствие роста поляризуемости молекул.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что межмолекулярные силы возникают только у полярных веществ. Так думают, потому что легко представить притяжение постоянных диполей, но забывают о движении электронов в неполярных частицах. Дисперсионные силы есть и у них; проверка проста: если частицы содержат электроны, временное смещение заряда возможно.

Ошибка — называть водородной связью любое взаимодействие с участием атома H. Само присутствие водорода недостаточно: он должен быть связан с O, N или F, а рядом нужен подходящий атом с неподелённой электронной парой. Перед выводом проверьте обе части условия, а не только наличие H в формуле.

Ошибка — путать водородную связь с ковалентной связью внутри молекулы. Путаница возникает из-за общего участия атома водорода и заметной силы взаимодействия. Ковалентная связь соединяет атомы в молекуле, а водородная обычно притягивает разные молекулы или участки одной макромолекулы; проверяйте, какие именно частицы она соединяет.

Ошибка — считать, что водородная связь всегда полностью определяет свойства вещества. Её влияние может быть большим, но на свойства также действуют дисперсионные и другие взаимодействия, а также масса и строение молекул. Чтобы проверить вывод, учитывайте все возможные силы, а не только один заметный вид притяжения.

Связь с другими темами

Для понимания межмолекулярных взаимодействий нужны знания об электроотрицательности, полярности связи и молекулы, частичных зарядах и дипольном моменте. Эти понятия позволяют определить, какие участки частиц будут притягиваться и могут ли молекулы быть постоянными диполями. Сами взаимодействия помогают объяснять агрегатные состояния, температуры плавления и кипения, вязкость и растворимость. В биологии и химии они важны для понимания водородных связей, поддерживающих строение белков и нуклеиновых кислот.

Что запомнить

• Межмолекулярные взаимодействия действуют между частицами и слабее большинства химических связей внутри молекул.
• Дисперсионные взаимодействия возможны между любыми атомами и молекулами.
• Полярные молекулы взаимодействуют как постоянные диполи.
• Для водородной связи нужны подходящий атом H и соседний атом O, N или F с неподелённой электронной парой.
• Водородная связь направленна и влияет на физические свойства вещества.
• С ростом поляризуемости частиц дисперсионное взаимодействие обычно усиливается.