Межмолекулярные взаимодействия.

Силы взаимодействия между молекулами, обеспечивающие межмолекулярное или межатомное взаимодействие без дополнительного обобществления электронной плотности называют вандерваальсовыми силами или силами Ван-дер-Ваальса (по имени голландского ученого Я. Ван-дер-Ваальса). Эти силы проявляются как силы отталкивания на расстоянии нескольких десятых ангстрема, а на расстоянии больше двойного радиуса атома – как силы притяжения, но очень быстро убывающие с расстоянием: U =-А/ r⁶. Величина сил Ван-дер-Ваальса не более 8-16кДж/моль, т.е. более, чем в 50раз слабее ковалентной связи. Кривая зависимости этих сил от расстояния между молекулами имеет вид потенциальной кривой образования молекулы водорода, только другие расстояния и энергии связи.

Силы Ван-дер-Ваальса складываются из трех эффектов.

1. Ориентационное взаимодействие. Оно проявляется между полярными молекулами, и тем сильнее, чем больше дипольный момент. Повышение температуры уменьшает это взаимодействие.

2. Индукционное взаимодействие. Под влиянием электрического поля полярной молекулы индуцируется дипольный момент у неполярных молекул, а затем имеет место притяжение диполей.

3. Дисперсионное взаимодействие (историческое, первоначальное название - силы Ван-дер- Ваальса). Оно обусловлено взаимодействием молекул или атомов за счет мгновенно наведенных дипольных моментов, поскольку каждая молекула –это система непрерывно движущихся заряженных частиц. В какой-то момент времени может возникнуть несимметричное распределение заряда.

Характерной особенностью сил Ван-дер-Ваальса является их универсальность; они действуют без исключения между всеми атомами (у инертных газов) и молекулами. Как правило, взаимодействие между молекулами возрастает с увеличением числа электронов в молекуле или атоме, т.е. приблизительно пропорционально их молярной или атомной массе. С действием этих сил связаны фазовые переходы из газообразного в жидкое состояние. За счет сил Ван-дер-Ваальса осуществляется связь в молекулярных кристаллах (твердых газах), образуются клатраты – нестехиометрические соединения, образующиеся за счет внедрения молекулы одного вещества в свободную полость кристалла другого вещества, например, гидраты газов: озона, хлора, гидраты углеводородов в нефтепроводах (очень опасны для эксплуатации нефтепровода).

Взаимосвязь между типом хс и свойствами веществ.

Тип связи оказывает ярко выраженное влияние на структуру, физические и химические свойства веществ. Это уже обсуждалось на примере диссоциации кислот, оснований и амфотерных гидроксидов. Химическая связь в простых веществах может быть ковалентной и металлической. Ионный и ковалентный тип связи определяют тип кристаллической решетки; кроме того вещества с ковалентным типом связи могут существовать в аморфном или стеклообразном состояниях. Приведем некоторые очевидные и важные обобщения. Рассмотрим конденсированное состояние вещества – суммарное название жидкого и твердого состояния. Есть еще газообразное состояние, характерное для газов, когда частицы движутся свободно и совершают беспрядочные движения. Агрегатное состояние вещества зависит по крайней мере от двух процессов: термических колебаний (теплового движения частиц), характеризующихся определенное Е_кин энергией молекул и силами химического взаимодействия, т.е. энергией химической связи. Если Е_кин  Е_св , вещество - газ; если наоборот Е_кин  Е_св – это конденсированное состояние вещества.

В твердом состоянии вещества подразделяются на кристаллические и аморфные.

кристаллические аморфные

1.Точная температура плавления, Постепенный переход из жидкого в тв.;

упругая деформация. вязкая деформация.

2.Регулярное, геометрическое расположение Отсутствие дальнего порядка, наличие

частиц по объему (крист. решетка) – только ближнего порядка.

ближний и дальний порядок.

3.Анизотропия – неоднородные свойства по Изотропия – одинаковые свойства по

разным направлениям кристалла (графит). всему объему.

Примечание: изотропными могу быть кристаллы кубической сингонии, поскольку обладают высокой симметрией. Аморфные тела занимают промежуточное состояние между жидким и твердым состояниями, поскольку в твердом теле сохраняется неупорядоченное расположение частиц, свойственное жидкостям. Аморфные вещества могут быть получены в виде порошка, пленки или в компактной форме. В аморфном виде получают многие полупроводниковые сплавы: германий, кремний, сурьму, арсенид галлия, антимонид галлия и др. Истинно твердым считается – кристаллическое состояние.

В зависимости от типа ХС бывают разные кристаллические решетки:

- ионные (достаточно твердые и прочные с Т_пл  200^оС,), в узлах решетки анионы и катионы, изоляторы, в растворах и расплавах имеют ионную проводимость;

- металлические (имеют различную твердость и прочность с Т_пл от -39 до 3500^оС), электронные проводники;

- атомные – соединения с ковалентным неполярным типом химической связи (очень высокая твердость и прочность, высокие Т_пл), обладают полупроводниковыми свойствами или прекрасные изоляторы (алмаз), примеры: С, ВN, SiО₂, Ge, Si, Ga, As и др.;

- молекулярные, образующиеся за счет сил межмолекулярного притяжения, в узлах решетки - молекулы (непрочные, с низкими Т_пл ), изоляторы, примеры: твердые газы – азот, хлор, «сухой лед» - диоксид углерода, вода в виде льда, аммиак.

Часто в веществах бывает смешанные тип кристаллической решетки, и соответствующие свойства. Например: у кристаллического иода I₂ решетка молекулярная, а межу слоями - металлическая. У графита С – решетка ковалентная, а между слоями – металлическая, поэтому графит проводит электрический ток.

Большинство соединений может существовать в виде нескольких кристаллических форм. Для сложных соединений это называется полиморфизм, а для простых – аллотропия. Примеры: SiО₂ – твердый кварц имеет гексагональнаую сингонию (элементарная ячейка – наименьшая часть кристаллической решетки, отражающая особенности ее структуры, 7 типов сингоний); при 870^оС – ромбическую (тридимит); при 1470^оС – кубическую (кристабалит). Для простых веществ аллотропия характерна примерно для половины всех элементов. Например. Серы бывает ромбическая, моноклинная или S₈ – гофрированные циклы, каждый из которых содержит 8 ковалентно связанных атомов серы; существует также неустойчивая аморфная сера – серого цвета. Фосфор имеет три кристаллических формы: наиболее устойчив красный Р (имеет каркасную структуру, в которой каждый атом Р с тремя атомами; белый фосфор (светится в темноте)– Р₄ , ковалентно связанные в тетраэдрическую структуру молекулы образуют молекулярные кристаллы; и черный фосфор образуется при высоких давлениях и существует в виде макромолекулярной слоистой структуры. Углерод умеет 4 аллотропных модификации: алмаз. Графит, карбин ( С С )_n ( С С )_n и новая модификация углерода С₆₀, С₇₀, полученная в 1985г. при 4000К, полученная только после изобретения лазера лазерным распылением графита. В спектрах космического излучения давно наблюдали спектры какой неизвестной человечеству модификации углерода.

Фуллерены – новая кристаллическая модификация углерода в виде футбольного мяча, на поверхности которого шестигранники (иногда – пятигранники) С₆₀, С₇₀ . Названа бакминстерфуллерен –в честь американского архитектора, создавшего удивительно прочные конструкции зданий в виде половинки футбольного мяча. Открыт в 1985 году лазерным распылением графита (сначала получают сажу, содержащую 20-30% фуллерена, затем ее растворяют в бензоле и выпариванием или газовым распылением получают порошок или пленки). Плотность того соединения 1,7г/см³, связи – ковалентные sp² – гибридизация. Между молекулами дейтсвуют вандерваальсовы силы. При комнатной температуре – диэлектрик. В 1991 году на основе фуллерена получен первый сверхпроводник К₃ С₆₀ (фуллеренид калия). Сверхпроводящее состояние этого соединения наступает при 40К (у ртути - при 4К). В работах кафедры физики получен состав С₆₀-Сu c температурой сверхпроводящего перехода 90-120К (ненадежно – до 170К). Второе свойство фуллеренидов – ферромагнетизм при низких температурах 16К. Перспективы этих новых соединений:

– создание гетероструктур из магнитных и свехпроводящих слоев (создание материалов электронной техники на совершенно новой основе);

- траспортировка лекарств в определенные органы человека (углерод не токсичен для организма,; проблема – в подборе растворителя).

В космосе фуллерен обнаружен в межзвездной пыли. На Земле фуллерен - в минерале шунгите (пос. Шунга) – углерод, содержащий большое количество в микродозах различные металлы и от 30 до 90% углерода в виде фуллерена. Считается, что этот минерал обладает лечебными свойствами и очищает воду (углерод – сорбент).