Ван-дер-ваальсово отталкивание

(эффект Паули)

Выше были описаны три основных типа дальнодействующих сил ответственных за ван-дер-ваальсовое притяжение между молекулами: эффекты Лондона, Кезома и Дебая. При сближении молекул (или их частей), наряду с вышеизложенными дальнодействующими силами, заметными становятся также короткодействующие силы, возникающие при перекрывании электронных облаков молекул (или частей молекул). На больших расстояниях эти силы несущественны, так как электронная плотность спадает практически до нуля уже на отдалении порядка 3Å от ядра атома.

Перекрывание электронных облаков может привести ко двоякого рода результатам: если у частиц имеются незаполненные целиком или низко лежащие свободные молекулярные орбитали, могут образоваться донорно-акцепторные, координационные, межмолекулярные и другие химические соединения; короткодействующие силы другого вида — силы ван-дер-ваальсового отталкивания, возникающие при перекрывании полностью заполненных атомных или молекулярных электронных оболочек, связанных с проявлением принципа Паули.

Принцип Паули (принцип исключения Паули, запрет Паули) играет фундаментальную роль в поведении многоэлектронных систем. Согласно принципу Паули на одной спин-орбитали не может находиться двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел. Принцип исключения Паули отностся к основным законам природы и выражает одно из важнейших свойств не только электронов, но и всех других обладающих полуцелыми значениями спинового квантового числа микрочастиц (в том числе: протонов, нейтронов, многих других элементарных частиц, а также многих атомных ядер).

Например: если две молекулы H₂ в основном состоянии оказываются очень близко друг к другу, между ними возникают силы отталкивания: два электрона первой молекулы на орбитали σ1s и два электрона второй молекулы на такой же σ1s-орбитали оказываются в одной области пространства; но так как в граничной области σ1s-орбитали может находиться не более чем два электрона с антипараллельными спинами (запрет Паули), то обе пары электронов двух столкнувшихся молекул будут стремиться отдалиться друг от друга. Электронная плотность в области соприкосновения понизится, и кулоновское отталкивание отделит одну пару ядер от другой; слияние системы в молекулу H₄ не произойдет. В ван-дер-ваальсовом отталкивании проявляется насыщаемость химических связей.

Аналогичное состояние возникает при сближении и других молекул, орбитали которых заполнены парами электронов с антипараллельными спинами: при перекрывании молекулярных орбиталей возникает эффект ван-дер-ваальсового отталкивания (иногда силы отталкивания, возникающие при перекрывании полностью заполненных электронных оболочек, назавают "силами Паули"). Природа их, также как и других сил Ван-дер-Ваальса – электрическая.

Силы ван-дер-ваальсового отталкивания — важнейшая компонента межмолекулярного взаимодействия. На коротких расстояниях они значительны и возрастают при сближении очень быстро. Энергию межмолекулярного отталкивания аппроксимируют обычно одним из следующих выражений:

  или  .

A и ρ (или B и n) – константы, определяемые при столкновении атомов инертных газов и простейших молекул. Обычно n=12.

§2 Водородные связи

В тех случаях, когда водород соединен с сильно электроотрицательным элементом, он может образовать еще одну дополнительную связь (редко две; больше, - почти никогда), правда, как правило значительно менее прочную, чем обычная валентная связь (единственным исключением является фтороводород, в его структуре водородная связь неотличима от химической и частично сохраняется даже в газообразном состоянии). Способность атома водорода связывать в ряде случаев два атома впервые была установлена в восьмидесятых годах прошлого столетия М.А. Ильинским и Н.Н. Бекетовым.

Водородные связи по силе взаимодействия занимают промежуточное положение между химическим и ван-дер-ваальсовым взаимодействиями. Условно водородные связи относят к межмолекулярным, однако во многих высокомолекулярных типичные неметаллы содержащих органических соединениях (например в белках, в нуклеиновых кислотах) водородные связи являются внутримолекулярными и формируют вторичную структуру этих молекул. Химические соединения, содержащие водород непосредственно связанный с типичными неметаллами (F, O, N, Cl, S), имеют по сравнению с соединениями похожего строения, но в которых водород связан с другими элементами, либо с типичными неметаллами связан не водород, существенно более высокие температуры кипения и сублимации, а энергия на их сублимацию или испарение уходит значительно большая. Считается, что причиной повышенных температур и удельных теплоемкостей сублимации и кипения водородсодержащих соединений типичных неметаллов является то, что они находятся в конденсированном состоянии не в виде мономеров, а в виде олигомеров (ассоциатов), причем полимеризация мономеров происходит посредством водородных, а не химических, связей.

Водородная связь занимает промежуточное положение между химической и физической связями также и по своей природе. Эта связь обусловлена тем, что смещение электрона от атома водорода превращает его в частицу с уникальными свойствами. Если рассматривать эту частицу как катион, то она: во-первых не имеет электронов и поэтому в отличие от других катионов не отталкивается электронными оболочками от других частиц, а испытывает только притяжение, и во-вторых обладает ничтожно малым размером (протон и дейтрон в тысячи раз меньше остальных ионов).

Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше электроотрицательность атома-партнера, и чем меньше его размеры; поэтому она характерна прежде всего для соединений фтора, а также кислорода, в меньшей степени азота, в еще меньшей степени для хлора и серы соответственно. Соответственно меняется и энергия водородной связи. В общем случае она зависит как от вида и состояния атома-партнера, так и от того, с какими атомами последний соседствует. Так, энергия водородной связи H^……F (Здесь и вдальнейшем эта связь обозначена точками) равна  ≈10 ккал, связи H^……O ≈5 ккал,  связи H^……N ≈2 ккал. Соседство сильно электроотрицательных атомов (F, O, N, Cl) может активизировать к образованию водородной связи и атомы CH‑групп (хотя электроотрицательности углерода и водорода почти одинаковы). Этим объясняется объясняется возникновение водородных связей в таких, например, соединениях, как альдегиды, хлорсодержащие и фторсодержащие углеводороды, содержащие нитрогруппу органические соединения и др.

С усилением водородной связи уменьшаются и соответствующие расстояния. Так если в структуре конденсированного аммиака расстояние H^……N превышает расстояние N—H значительно более чем вдвое то в структуре воды (и льда) расстояние H^……O больше расстояния O—H лишь на ≈70%, а для фтороводорода оба расстояния (F—H и H^……F) одинаковы, т.е. протон располагается строго по середине между ионами фтора.

Благодаря водородным связям молекулы объединяются в ассоциаты (димеры или полимеры). Последние могут иметь линейное, разветвленное или кольчатое строение. Так, муравьиная кислота как в жидкой, так и в газообразной фазе существует главным образом в виде димера; его структура установлена методом электронографии (см. рис.3). Способность к ассоциации отличает воду, спирты, и многие другие жидкости от неассоциированных жидкостей (например от углеводородов). Ассоциация приводит к повышению температуры плавления, температур сублимации и кипения, теплоты парообразования, а также к изменению взаимной растворяющей способности веществ.

Как уже указывалось, энергия водородной связи обычно значительно меньше энергии ковалентной связи. Поэтому повышение температуры приводит к разрыву водородных связей; однако этот процесс как правило, растянут на сравнительно широкий интервал температур; в карбоновых кислотах, например, ассоциация сохраняется даже при их парообразовании. Следует однако заметить, что при более существенном повышении температуры разрушаться начинают и донорно-акцепторные, а также ковалентные связи, разрушение химических связей является основной возможной причиной образования, так называемой, горячей плазмы.

Если взять ряд сходных веществ, то с ростом молекулярного веса следует ожидать увеличения их температур плавления и кипения, а также теплот парообразования; однако как видно из табл. 2, при переходе от HF к HCl и от H₂O к H₂S происходит резкое падение численного значения указаных свойств.

Таблица 2