|
|
Общая характеристика растворов. Межмолекулярные взаимодействия вандерваальсовские и специфические. Уравнение ЛеннардДжонса Здравствуйте. Меня зовут Юрий Федорович Опруненко
Как это видно из таблицы, дисперсионные силы играют основную роль в межмолекулярном взаимодействии и являются единственными для неполярных молекул.
Строго говоря, этот потенциал не может абсолютно точно работать и описывать молекулярные ансамбли, т.к. учитывает взаимодействие только двух молекул. Уже третья молекула вблизи взаимодействующих двух будет изменять потенциал. Хотя такие подходы с использованием сложного математического аппарата и мощных вычислительных машин имеются, но учет многочастичного взаимодействия сильно усложняет теорию СВДВ и делает ее не такой наглядной. Поэтому, для наших целей мы будем пользоваться упрощенными подходами.
Ван-дер ваальсовы молекулы. Т.к. СВДВ невелики, то соединения за счет их действия при нормалных температурах не образуются. Этому препятствует тепловое движение. Но при очень низких температурах, когда энергия взаимодействие больше kT удается спектрально обнаружить соединения типа Ar2, Xe2, ArHCl, ArN2 и т.д.
Специфические формы межмолекулярного взаимодействия.
Водородная связь. (hydrogen bond) - слабая электростатическая связь, в результате которой атом водорода располагается между двумя электроотрицательными атомами (например, азота или кислорода). Большое количество водородных связей в белках и нуклеиновых кислотах приводит к наличию у этих соединений стабильной молекулярной структуры.
Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – носитель генетической (наследственной) информации – состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи удерживаются в виде спирали благодаря многочисленным водородным связям между составляющими их основаниями. Аналогично ведут себя и белки. В ряду соединений с водородом элементов VI группы – Н2О–Н2S–H2Se–Н2Те – температура плавления возрастает почти линейно для трех последних веществ. Если бы зависимость температуры плавления от номера периода сохранялась по всей группе, то лед плавился бы (пунктирная линия) примерно при температуре 170 К (–100 °С). Однако температура плавления льда нарушает ожидаемую закономерность – она почти на 100 °С выше (273 К, или 0 °С). По-видимому, это связано со значительно более прочной кристаллической решеткой льда по сравнению с кристаллическими решетками других гидридов.
Повышенная прочность кристаллической воды обусловлена двумя главными причинами: первая – угол между связями в молекуле воды благодаря sр3-гибридизации внешних электронных оболочек атома кислорода близок к тетраэдрическому углу (109,5°), в то время как в молекулах остальных гидридов VI группы углы близки к 90°; вторая – образование водородных связей между молекулами воды. Возникновение такой связи обусловлено тем, что электронное облако атома водорода в молекуле воды смещено к ядру атома кислорода, благодаря чему имеется дополнительная возможность для взаимодействия протона с еще одним атомом кислорода другой молекулы воды. Таким образом, атом водорода в структуре воды образует одну прочную ковалентную связь с ближайшим атомом кислорода и одну более слабую, водородную, связь с атомом кислорода соседней молекулы воды. Атом кислорода в молекуле воды имеет две sр3-гибридные орбитали, заполненные парами электронов, которые он и поставляет для образования двух водородных связей. Таким образом, каждая молекула воды связана с четырьмя другими молекулами воды. Следовательно, водородная связь между молекулами воды обусловлена акцепторным характером протона и донорным поведением отрицательно заряженного атома кислорода. В кристаллической структуре льда каждая молекула воды образует четыре связи с соседними молекулами воды за счет своих двух атомов водорода и двух гибридных орбиталей атома кислорода, имеющих по паре электронов. Все четыре связи между молекулами кристаллической воды равноценны. Структуру льда можно представить в виде структуры алмаза, если атомы углерода заменить молекулами воды. Угол между связями всех молекул воды почти равен тетраэдрическому. Водородные связи проявляются также в жидкой воде. Вода кипит при сравнительно высокой температуре (100 °С), что указывает на высокий уровень порядка в жидкой воде, вызванный тем, что в ней существуют «осколки льда» (Н2О)n, состоящие из сотен молекул воды. Даже в газовой фазе ассоциация молекул воды сохраняется, и там обнаружены частицы из нескольких молекул в
оды. Такова прочность водородных связей между молекулами воды! Водородные связи о
бразуются также между молекулами аммиака NH3 и фтороводорода HF, но структуры этих веществ (кристалл, жидкость) менее прочны. Это вызвано не слабостью водородных связей между их молекулами, а их числом. В жидком аммиаке от каждой молекулы исходит три связи, что обусловливает плоскостную структуру связанных между собой молекул. В структуре жидкого фтороводорода одна молекула HF связана с двумя другими, и молекулы образуют зигзагообразные, вытянутые в линию цепочки. Почему же молекулы Н2S, H2Se, Н2Те и многие другие, как образующие, так и вообще не образующие водородных связей, могут существовать в жидком и кристаллическом состояниях? Что связывает эти молекулы между собой? В этих веществах значительную роль играют силы Ван-дер-Ваальса, силы притяжения электростатической природы между частицами. Аналогичную воде аномалию имеет NH3 в пятой группе и HF в седьмой.
Карбоновые кислоты, спирты, фтористоводородная кислота – вот примеры, когда между молекулами возникает специфическое взаимодействие, называемое водородной связью, через водородный мостик, которая является более прочной, чем ВДВ взаимодействие, но менее прочной, чем химическая связь (энергия 20-40 кдж/моль). Энергия водородной связи составляет около 5 ккал/моль. Эта оценка базируется на сравнении экспериментальных теплот испарения сходных соединений, из которых одни могут завязывать водородные связи, а другие — нет). Например, для карбоновых кислот в растворах характерны димеры. Акцептором электронов является протонизированный водород (Н+), а донором электронов являются атомы, несущие несвязанную (неподеленную) электронную пару (ОН, NO2, SH и т.д.). Водородная связь может быть как меж-, так и внутримолекулярной (хелатной). Водородная связь играет исключительную роль в химии и биологии (структура белка и ДНК – нити двойной спирали связаны водородным связями).
Ниже приведены температуры кипения некоторых веществ.
Вещество
|
формула
|
t , °C
|
Ацетон
|
СН3СОСН3
|
58
| Этиловый спирт |
С2Н5ОН
|
78
|
Вода
|
Н2О
|
100
|
Олеиновая кислота
|
С17Н33СООН
|
270
|
Глицерин
|
СН2ОНСНОНСН2ОН
|
290
| |
|
|
Скачать 1.21 Mb.