"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Невалентные взаимодействия — притяжение между частицами без образования общей электронной пары. К ним относят ориентационные, индукционные и дисперсионные взаимодействия, а также водородную связь. Они объясняют, почему молекулярные вещества имеют разные температуры кипения и плавления, растворяются или не растворяются друг в друге, образуют определённые структуры. Для сравнения взаимодействий учитывают полярность, поляризуемость, форму частиц и расстояние между ними.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Невалентные взаимодействия — притяжение между частицами, не связанное с образованием общей электронной пары. Их обозначают пунктиром, например HCl···HCl, чтобы отличить от химической связи внутри молекулы. Понятие помогает объяснить свойства веществ, которые нельзя понять только по составу и ковалентным связям.
Ван-дер-ваальсовы взаимодействия — совокупность слабых электростатических взаимодействий между постоянными и временными диполями. Диполь — частица или её участок с разделёнными положительным и отрицательным зарядами. К этой группе относят ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия.
Диполь-дипольное взаимодействие — притяжение полярных молекул противоположными по знаку участками. Положительный конец одной молекулы стремится приблизиться к отрицательному концу другой. Такое взаимодействие называют ориентационным, потому что его сила зависит от взаимного расположения молекул.
Водородная связь — сильное направленное взаимодействие атома водорода, связанного с электроотрицательным атомом, с другой электроотрицательной частицей. Обычно участвуют группы O–H, N–H или F–H и неподелённая электронная пара соседнего атома. Водородные связи обозначают пунктиром: H₂O···H₂O.
Электронная плотность показывает, где с большей вероятностью находятся электроны. Если атомы в связи имеют разную электроотрицательность, общая электронная пара смещается к одному из них, и связь становится полярной. В симметричной молекуле смещения могут взаимно компенсироваться, а в несимметричной появляется постоянный диполь с частичными зарядами δ− и δ+.
Ориентационное взаимодействие возникает между постоянными диполями полярных молекул: разноимённые участки поворачиваются навстречу друг другу. Индукционное взаимодействие появляется, когда электрическое поле постоянного диполя деформирует оболочку неполярной частицы и создаёт в ней наведённый диполь. Значит, первое требует постоянной полярности обеих частиц, а второе — способности одной из них поляризоваться.
Даже в неполярной частице электроны непрерывно движутся, поэтому их распределение на мгновение становится несимметричным. Возникает мгновенный диполь, который деформирует электронную оболочку соседней частицы и наводит в ней диполь противоположной ориентации. Их притяжение называют дисперсионным взаимодействием, или дисперсионными силами.
Дисперсионные силы действуют между любыми атомами и молекулами, поскольку движение электронов есть у любой частицы. С увеличением числа электронов оболочка становится крупнее и легче деформируется, то есть растёт поляризуемость. Поэтому у более тяжёлых и крупных частиц обычно сильнее дисперсионное притяжение, хотя форма молекул и площадь их соприкосновения тоже имеют значение.
Водородная связь возникает, когда H соединён с сильно электроотрицательным атомом F, O или N и становится заметно положительным. Этот атом водорода притягивается к неподелённой электронной паре другого электроотрицательного атома. Малый размер водорода сближает участники, а направленность связи задаёт определённое расположение молекул и делает её сильнее большинства ван-дер-ваальсовых взаимодействий.
| Вид взаимодействия | Какие частицы взаимодействуют | Причина возникновения | Пример | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| Ориентационное | Полярные молекулы | Притяжение постоянных диполей | HCl···HCl | Зависит от взаимной ориентации молекул |
| Индукционное | Полярная и неполярная частицы либо частицы с наведённым диполем | Деформация электронной оболочки под действием электрического поля | H₂O···O₂ | Зависит от поляризуемости частицы |
| Дисперсионное | Любые атомы и молекулы | Мгновенное возникновение и взаимное наведение диполей | Ar···Ar, I₂···I₂ | Есть у всех частиц; усиливается при увеличении электронной оболочки |
| Водородная связь | Молекулы с группами O–H, N–H или F–H и электроотрицательными атомами | Притяжение частично положительного атома водорода к неподелённой электронной паре | H₂O···H₂O, NH₃···H₂O | Сильная, направленная, влияет на строение и свойства веществ |
Сначала определите, есть ли у молекул постоянный диполь и способны ли они образовывать водородные связи. Если таких признаков нет, всё равно учитывайте дисперсионное взаимодействие: оно присутствует всегда. Для сравнения силы дополнительно оцените поляризуемость, форму частиц и расстояние между ними.
Определите, какие невалентные взаимодействия преобладают между молекулами Cl₂, HCl и H₂O. Нужно установить полярность каждой молекулы, а затем проверить наличие групп, участвующих в водородной связи.
Ответ: для Cl₂ — дисперсионное, для HCl — преимущественно ориентационное, для H₂O — водородное взаимодействие.
Объясните, почему температура кипения воды значительно выше температуры кипения сероводорода, хотя молекулы этих веществ имеют сходный состав. Сравнивать нужно не только относительную молекулярную массу, но и тип притяжения между молекулами.
Ответ: высокая температура кипения воды объясняется сетью водородных связей, отсутствующей в сопоставимой степени у H₂S.
Расположите по возрастанию температуры кипения вещества Ne, Ar, Kr и Xe и объясните полученный порядок. Все частицы одноатомны и неполярны, поэтому решающим фактором становится сила дисперсионного взаимодействия.
Ответ: Ne < Ar < Kr < Xe по температуре кипения.
Ошибка 1. Считать, что невалентные взаимодействия есть только у полярных молекул. Так думают, потому что диполь легче представить у полярной частицы; проверить себя можно вопросом: учтены ли мгновенные диполи, которые возникают у любых атомов и молекул?
Ошибка 2. Называть водородной любую связь с участием водорода. Для водородной связи нужны H–F, H–O или H–N и акцептор с неподелённой электронной парой, поэтому одной формулы с водородом недостаточно.
Ошибка 3. Отождествлять невалентное взаимодействие с химической связью. Если общая электронная пара между частицами не образуется, а притяжение обусловлено зарядами или диполями, речь идёт о невалентном взаимодействии.
Ошибка 4. Сравнивать силу взаимодействий только по молярной массе. Помимо массы учитывайте полярность, поляризуемость, форму и площадь контакта молекул, а также возможность образования водородных связей.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронной плотности, электроотрицательности и полярности химической связи и молекулы. Эти понятия позволяют объяснить появление постоянных, наведённых и мгновенных диполей.
Невалентные взаимодействия помогают объяснить агрегатные состояния, температуры кипения и плавления, растворимость и другие свойства молекулярных веществ. Их используют при изучении растворов, кристаллов и строения веществ.
В биологии и биохимии такие взаимодействия поддерживают структуру белков и нуклеиновых кислот, а также влияют на свойства биологических мембран. Их совокупность определяет устойчивость многих сложных молекулярных систем.
Чем невалентное взаимодействие отличается от химической связи?
Невалентное взаимодействие возникает благодаря притяжению электрических зарядов и диполей, но не связано с образованием общей электронной пары. Обычно оно слабее ковалентной, ионной и металлической связи и легче нарушается при нагревании.
Почему неполярные молекулы тоже притягиваются друг к другу?
Электроны в любой частице постоянно движутся, поэтому на короткое время в ней возникает мгновенный диполь. Он наводит диполь в соседней частице, и между ними появляется дисперсионное притяжение.
Почему дисперсионные силы увеличиваются при переходе от Ne к Xe?
При переходе от Ne к Xe увеличиваются число электронов и размер электронной оболочки. Такая оболочка легче деформируется, поэтому мгновенные и наведённые диполи становятся сильнее.
Почему водородная связь сильнее обычного диполь-дипольного взаимодействия?
В водородной связи водород соединён с очень электроотрицательным атомом, поэтому приобретает значительный частичный положительный заряд. Малый размер водорода и наличие неподелённой пары у соседнего атома создают сильное направленное притяжение.
Как по строению молекул определить, могут ли они образовывать водородные связи?
Найдите связь H–F, H–O или H–N: такой водород может быть донором водородной связи. Вторая частица должна содержать электроотрицательный атом F, O или N с неподелённой электронной парой.
2.5. Невалентные взаимодействия
