Контрольна робота
з хімії
варіант № 10
2009
Зміст
Парні потенціали взаємодії між двома молекулами ввакуумі
Поділ міжмолекулярних взаємодій за типами
Електростатичні взаємодії
Індукційні взаємодії
Дисперсійні взаємодії
Zbond - енергія зв'язку
Обмінна взаємодія
Водневий зв'язок
Теоретичні моделі та параметри
Вода як діелектрик
Гідрофобні взаємодії
Теорія Дебая-Хюккеля
Парні потенціали взаємодії між двомамолекулами в вакуумі
Міжмолекулярні взаємодії мають фундаментальнезначення для розуміння того, як атоми і молекули організовані в рідинах ітвердих тілах. В якості прикладу розглянемо утворення міцел зарядженимимолекулами ПАР. Чому утворюються міцели і які сили діють міжмолекулами поверхнево-активної речовини? Оскільки міцели не утворюються вгазовій фазі, очевидно, що недостатньо розглядати взаємодії тількиміж молекулами ПАР. Розчинник відіграє визначальну роль у процесіміцелярно агрегування, а вода в цьому відношенні взагалі унікальна. На рис.показано, що міцели не можуть виникати в розчиннику з низькоюдіелектричною проникністю внаслідок дуже слабкого екранування полярнихгруп молекул ПАР і, отже, сильного електростатичного відштовхуванняміж ними. Чи можна розібратися в механізмі міцеллообразованія, грунтуючись назнанні взаємодій між молекулами ПАР, протиіонами і молекулами води? Наякісному рівні, безумовно, так, однак при цьому кількісно описатисистему неможливо. Наступні розділи присвячені детальному розгляду типівміжмолекулярних взаємодій, що існують між зазначеними частками.
При вивченні атомних і молекулярних сил взаємодії можнане враховувати деякі сили, дія яких не відповідає розміраммолекул; наприклад, для даного випадку зникаюче малі гравітаційні сили. Дляаналізу розглянутої системи важливі тільки електростатичні сили, що виникаютьпри взаємодії між електронами і протонами різних молекул. Тутдоречно нагадати розміри невеликих молекул і величину енергії водневоїзв'язку, наприклад, у водному розчині. Груба оцінка розміру молекули води можебути отримана з її щільності. Оцінне значення діаметра молекули водистановить 3 А. Основний внесок у міжмолекулярні взаємодії молекул водидають диполь-дипольні взаємодії. Використовуючи відоме значення дипольногомоменту води, рівне 1.85 Д, і приймаючи усереднений відстань між молекуламиводи рівним 3 А, знайдемо, що типова енергія взаємодії складає 10-20кДж/моль. Такий розрахунок, безумовно, є грубим наближенням. Але, якстане зрозуміло далі, він призводить до значення, співпадаючому по порядку величиниз реальною енергією взаємодії. Цей приклад наведено спеціально, щобпоказати, наскільки корисно проводити наближені оцінки при обговоренніміжмолекулярних взаємодій. Наступний розрахунок, трохи більш строгий,показує, як ускладнені квантово-механічні розрахунки допомагають розібратисяв міжмолекулярних взаємодіях.
Міцелярні структури октаноата натрію в двох розчинникахз різними діелектричними проницаемостями S r :S r = 20 і S r = 80. Міцели не можуть утворюватися в розчині з низькою діелектричноюпроникністю через сильний електростатичного відштовхування полярних групмолекул ПАР
Припустимо, що два атоми знаходяться на нескінченному відстаніодин від одного. Сумарна енергія взаємодії складається з індивідуальнихвкладів, тобто енергій ізольованих атомів 1 і 2. При приведенні в контактатоми будуть взаємодіяти один з одним, і сумарна енергія взаємодіївиражається рівнянням
де U - міжмолекулярного потенціалу.За визначенням, він дорівнює роботі, яку необхідно здійснити для переносуатомів з нескінченного видалення на відстань г один від одного:
де F - сила, що діє міждвома атомами. Так як сила є негативною похідної потенційноїенергії, можна укласти, що сила відштовхування не обов'язково визначаєтьсяенергією відштовхування.
Розглянемо атом, що складається з важкого, позитивнозарядженого ядра, оточеного швидкими електронами, здатними миттєвореагувати на зміни в положенні ядра. Згідно наближеннюБорна-Оппенгеймера, потенційна енергія залежить тільки від відносногорозташування ядер. У такому наближенні можна чисельно розв'язати рівнянняШредінгера. На практиці цей підхід можна застосовувати тільки до молекул,містить не більше 1000 електронів. Для вивчення взаємодій більш великихмолекул можна спробувати розділити сумарну енергію на серію найбільш важливихвкладів і досліджувати кожен внесок окремо, сподіваючись на те, що програш устрогості теорії компенсується більш глибоким розумінням фізичної природимолекулярних сил.
Нагадуємо, що наше обговорення спочатку обмеженевзаємодією між парами атомів або молекул у вакуумі. У такому випадку цедійсно парні взаємодії, не залежні від розчинника ітемператури. Далі розглянемо взаємодію між двома молекулами в деякійсередовищі, наприклад взаємодія двох іонів у воді. У цьому випадку взаємодіязалежить від діелектричної проникності розчинника, тому взаємодіястає температурно-залежним. Такий тип взаємодій позначимо якефективний парний потенціал. Хіміки часто користуються ефективнимипотенціалами; наприклад, гідрофобні взаємодії або екранованікулонівських взаємодії описуються такими потенціалами.
Поділ міжмолекулярних взаємодій за типами
Взаємодія на близьких відстанях називається обміннимвзаємодіям U qxc . Енергія обмінної взаємодіїрозраховується на основі квантової механіки, виходячи з принципу Паулі. Іншісили міжмолекулярної взаємодії можна розглядати в рамках класичноїелектростатики. Сумарну енергію взаємодії можна представити такимвиразом:
де U e Q - енергія безпосередньо електростатичноговзаємодії, a U m d і CZdi s -енергії індукційного і дисперсійного взаємодій відповідно.
В якості прикладу на рис. показана енергія взаємодіїміж двома молекулами води, розрахована квантовомеханічним способом.
Енергія взаємодії між двома молекулами води,розрахована неемпіричний квантовомеханічним методом. Суцільна лінія -повна енергія взаємодії U. Точками показано внесокелектростатичної складової L r e I e .
Такий розподіл енергії на кілька внесків не єєдино можливим. Воно припускає, що взаємодіючі частинкизберігають індивідуальність і всі притаманні їм властивості.
Але ця умова не завжди виконується: будь-яка хімічнареакція з утворенням нових ковалентних зв'язків є типовим прикладомнепридатності такого підходу.
Розглянемо, наприклад, освіта води з О2 і Н2. Жоденз реагентів, що вступають в реакцію, не має дипольного моменту, в той час якпродукт реакції володіє дуже великим дипольним моментом.
Поділ і класифікація вкладів різних взаємодійє в певному сенсі персональним вибором. Водневий зв'язок і комплексиз переносом заряду не має сенсу розглядати як окремі видивзаємодій. Водневий зв'язок можна описати за допомогою електростатичноговнеску U Q Q ,а перенос заряду в основному являє собою індукційне взаємодія,включене в С ind . Безумовно,зазначені чотири типи взаємодій не незалежні, але для більшості системчлени, що характеризують їх взаємозв'язок, малі і ними можна знехтувати.
Розподіляти сумарну енергію взаємодії на окремівклади можна і для внутрішньомолекулярних взаємодій у великих молекулах, такихяк білки або полімери. У цьому випадку атоми або групи атомів, розділені другвід одного більш ніж трьома або чотирма зв'язками, розглядають як приналежнірізним молекулам. Зазвичай через неявності даного наближення виділяють вкладизв'язків, валентних кутів і діедральних кутів. Деякі види внутрішньомолекулярнихрухів відносяться до майже класичним, наприклад обертання навколо зв'язку, в тойчас як швидкі коливання зв'язку є строго квантовомехан...
