§ 35. Межмолекулярные взаимодейств

Определения и обозначения

Межмолекулярное взаимодействие — притяжение или отталкивание между частицами, не связанное с образованием химической связи внутри молекулы. Оно помогает понять, почему молекулы вещества могут собираться вместе или, наоборот, отталкиваться. От его силы зависят многие свойства вещества, в том числе переход из жидкости в газ.

Дисперсионное взаимодействие — притяжение, возникающее между мгновенными и наведёнными диполями. Диполь — частица или её фрагмент с разделёнными участками положительного и отрицательного заряда. Такое взаимодействие важно потому, что оно действует даже между неполярными молекулами.

Диполь-дипольное взаимодействие — притяжение между постоянными диполями полярных молекул. Полярная молекула имеет частичный положительный и частичный отрицательный концы. Насколько сильно она притягивается к другой такой молекуле, зависит от того, как их диполи расположены друг относительно друга.

Водородная связь — особый вид межмолекулярного взаимодействия между атомом водорода, связанным с электроотрицательным атомом, и другой электроотрицательной частицей. К электроотрицательным в таких случаях относятся, например, атомы кислорода, азота и фтора. Это понятие объясняет, почему некоторые вещества, особенно вода, проявляют необычно сильное притяжение между молекулами.

Как это устроено

Межмолекулярные силы появляются потому, что электрический заряд в частицах распределён не всегда одинаково. В полярной молекуле разделение зарядов постоянно, а в неполярной может возникнуть на короткое время. Иногда электрическое поле одной частицы вызывает перераспределение заряда в другой и создаёт наведённый диполь. Поэтому притяжение возможно даже тогда, когда у молекул нет постоянных зарядов или химических связей друг с другом.

Электроны непрерывно движутся вокруг ядер, и их распределение в каждый отдельный момент может оказаться несимметричным. Так появляется мгновенный диполь: один участок частицы становится чуть более отрицательным, другой — чуть более положительным. Он воздействует на соседнюю молекулу и смещает в ней электроны, создавая наведённый диполь. Между противоположно заряженными участками возникает притяжение; поскольку движение электронов есть у любых молекул, дисперсионные силы действуют всегда.

У полярных молекул положительный конец одной может притягиваться к отрицательному концу другой. Такая взаимная ориентация выгодна, однако молекулы непрерывно движутся и вращаются. Тепловое движение нарушает упорядоченное расположение диполей, поэтому их ориентация не остаётся постоянной. При прочих равных условиях более сильное притяжение постоянных диполей способствует сближению частиц, но его нужно оценивать вместе с другими силами.

Водородная связь возникает, когда атом водорода уже связан с электроотрицательным атомом и взаимодействует с электроотрицательной частицей соседней молекулы. Из-за электроотрицательного партнёра связь с водородом становится полярной, и на атоме водорода концентрируется частичный положительный заряд. Он притягивается к отрицательно заряженному участку другой частицы. Поэтому водородные связи могут объединять молекулы в группы или цепочки и заметно влиять на свойства вещества.

Чтобы молекулам жидкости перейти в газ, нужно преодолеть их взаимное притяжение. Если взаимодействия сильнее, обычно требуются более высокая температура кипения и больше энергии для испарения; летучесть при прочих равных ниже. Сильное притяжение может затруднять также движение слоёв жидкости и повышать её вязкость. Температура плавления тоже связана с взаимодействиями, но зависит и от того, насколько устойчиво частицы упакованы в твёрдом веществе.

Основные виды межмолекулярных взаимодействий

Сравнивая вещества, сначала определите, какие взаимодействия возможны между их частицами. Затем оцените размер и поляризуемость молекул, а также наличие водородных связей. Таблица показывает типичные причины и примеры, но не задаёт универсальный порядок силы для всех веществ.

Разбор задач

Задача 1. Сравните неполярные вещества O₂ и N₂ с близкими молярными массами: температуры кипения кислорода и азота примерно равны −183 °C и −196 °C соответственно. Почему кислород кипит при более высокой температуре? Здесь важно не искать постоянные диполи, которых у этих молекул нет, а сравнить дисперсионные взаимодействия.

1. Обе молекулы неполярны, поэтому постоянного диполь-дипольного притяжения между ними нет.
2. В обеих системах действуют дисперсионные силы. У молекулы O₂ электронная оболочка поляризуется сильнее, поэтому мгновенные диполи и наведённые ими диполи дают более заметное притяжение.
3. Для перехода кислорода в газ требуется преодолеть это более сильное притяжение, поэтому его температура кипения выше.

Ответ: кислород кипит при более высокой температуре, потому что его электронная оболочка более поляризуема и дисперсионные взаимодействия сильнее.

Задача 2. Расположите HCl, HBr и HI по возрастанию температуры кипения. Все три молекулы полярны, поэтому между ними есть диполь-дипольное притяжение. Одновременно с ростом атома галогена увеличиваются размеры и поляризуемость электронной оболочки, что усиливает дисперсионные силы.

1. Сравните молекулы по размеру: он возрастает в ряду HCl, HBr, HI.
2. В том же направлении усиливается дисперсионное взаимодействие, и его вклад становится особенно существенным.
3. Хотя полярность молекул тоже влияет на свойства, нельзя учитывать только её: суммарное притяжение в ряду усиливается от HCl к HI.

Ответ: HCl < HBr < HI по температуре кипения. Это пример того, как увеличение размера и поляризуемости может перевесить простое сравнение полярности.

Задача 3. Температура кипения воды значительно выше, чем у сероводорода, хотя их молярные массы близки. Для объяснения нужно выяснить, какие взаимодействия связывают молекулы каждого вещества, а затем оценить, сколько энергии необходимо для их разделения при кипении.

1. Молекулы H₂O образуют водородные связи: водород, связанный с кислородом, притягивается к кислороду соседней молекулы.
2. У молекул H₂S сопоставимого прочного объединения водородными связями нет; преобладают более слабые межмолекулярные взаимодействия.
3. Для разделения молекул воды требуется больше энергии, поэтому температура её кипения выше, несмотря на близкие молярные массы веществ.

Ответ: высокая температура кипения воды связана с водородными связями между её молекулами.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что дисперсионные силы действуют только между неполярными молекулами. Так думают, потому что именно для неполярных молекул часто приводят этот тип взаимодействия как главное объяснение притяжения. Проверьте себя: электроны движутся и в полярных молекулах, значит, дисперсионный вклад присутствует и там.

Ошибка — отождествлять водородную связь с ковалентной связью внутри молекулы. Путаница возникает из-за слова «связь» и участия атома водорода. Уточните, какие частицы соединены: ковалентная связь находится внутри молекулы, а водородная обычно возникает между подходящими молекулами или их фрагментами.

Ошибка — делать вывод, что полярное вещество всегда кипит при более высокой температуре, чем неполярное. Полярность — только один фактор, и такой вывод кажется простым, если учитывать лишь диполь-дипольное притяжение. Для проверки сравните также дисперсионные силы, размер частиц и возможность образования водородных связей.

Ошибка — игнорировать размер и поляризуемость молекул. Это случается, когда внимание сосредоточено только на полярности, хотя крупная электронная оболочка легче деформируется и усиливает дисперсионное притяжение. Проверьте сравнение: перечислите все значимые взаимодействия и оцените их совокупное действие, а не один признак.

Связь с другими темами

Для понимания межмолекулярного взаимодействия нужны знания о строении атома и молекулы, электроотрицательности и полярности химической связи. Представление о дипольном моменте помогает описать разделение зарядов в полярной молекуле. Эти понятия позволяют объяснить, откуда берутся постоянные и наведённые диполи.

Межмолекулярные силы связывают строение частиц с агрегатными состояниями и физическими свойствами веществ. Их учитывают при объяснении растворимости и особенностей воды, в том числе её сравнительно высокой температуры кипения. Такие взаимодействия важны и для молекулярных систем в живых организмах.

В белках и нуклеиновых кислотах взаимное расположение молекул и отдельных участков может поддерживаться межмолекулярными силами. Понимание водородных связей помогает разбирать, как формируются структуры биологических молекул. Поэтому тема соединяет общую химию с изучением веществ и процессов в живой природе.

Что запомнить

• Межмолекулярные взаимодействия слабее химических связей внутри молекулы.
• Дисперсионное взаимодействие возможно между любыми молекулами.
• Полярные молекулы взаимодействуют за счёт постоянных диполей.
• Водородная связь возникает при участии водорода, связанного с электроотрицательным атомом.
• Чем сильнее притяжение между частицами, тем обычно выше температура кипения и ниже летучесть.
• При сравнении веществ нужно учитывать не один вид взаимодействия, а их совокупность.