Междумолекулни взаимодействия - учебна работа, реферат, курсова работа, дипломна работа по!
Пред вас е представен документът: Междумолекулни взаимодействия.
Двойни потенциали за взаимодействие между две молекули във вакуум
- Разделяне на междумолекулните взаимодействия по видове
- Електростатични взаимодействия
- Индуктивни взаимодействия
- Дисперсионни взаимодействия
- Zbond - енергия на връзката
- обменно взаимодействие
- водородна връзка
- Теоретични модели и параметри
- Водата като диелектрик
- Хидрофобни взаимодействия
- Теория на Дебай-Хюкел
Междумолекулните взаимодействия са основни за разбирането на това как атомите и молекулите са организирани в течности и твърди вещества. Като пример, разгледайте образуването на мицели от заредени молекули на повърхностно активното вещество. Защо се образуват мицели и какви сили действат между молекулите на ПАВ? Тъй като мицелите не се образуват в газовата фаза, очевидно е, че не е достатъчно да се разглеждат взаимодействията само между молекулите на повърхностно активното вещество. Разтворителят играе решаваща роля в процеса на мицеларно агрегиране и водата като цяло е уникална в това отношение. На фиг. Беше показано, че мицелите не могат да се образуват в разтворител с ниска диелектрична проницаемост поради много слабо екраниране на полярните групи на молекулите на повърхностно активното вещество и, следователно, силно електростатично отблъскване между тях. Възможно ли е да се разбере механизмът на мицелизация въз основа на познаването на взаимодействията между молекулите на повърхностно активното вещество, противойоните и водните молекули? На качествено ниво, разбира се, да, но е невъзможно системата да се опише количествено. Следващите раздели са посветени на подробно обсъжданевидове междумолекулни взаимодействия, съществуващи между тези частици.
При изучаване на атомните и молекулните сили на взаимодействие е възможно да не се вземат предвид някои сили, чието действие не съответства на размера на молекулите; например, за този случай гравитационните сили са изчезващо малки. За анализа на разглежданата система са важни само електростатичните сили, възникващи от взаимодействието между електрони и протони на различни молекули. Тук е уместно да си припомним размера на малките молекули и стойността на енергията на водородната връзка, например във воден разтвор. Груба оценка на размера на водната молекула може да бъде получена от нейната плътност. Изчислената стойност на диаметъра на водна молекула е 3 A. Основният принос за междумолекулните взаимодействия на водните молекули идва от дипол-диполни взаимодействия. Използвайки известната стойност на диполния момент на водата, равна на 1,85 D, и приемайки средното разстояние между водните молекули равно на 3 A, откриваме, че типичната енергия на взаимодействие е 10–20 kJ/mol. Това изчисление, разбира се, е грубо приближение. Но, както ще стане ясно по-долу, това води до стойност, която съвпада по порядък с реалната енергия на взаимодействие. Този пример е даден специално, за да покаже колко полезно е да се правят приблизителни оценки, когато се обсъждат междумолекулни взаимодействия. Следното изчисление, малко по-строго, показва как сложните квантово-механични изчисления помагат да се разберат междумолекулните взаимодействия.
Мицеларни структури на натриев октаноат в два разтворителя с различни диелектрични константи Sr: Sr = 20 и Sr = 80. Мицелите не могат да се образуват в разтвор с ниска диелектрична константа поради силното електростатично отблъскване на полярните групи на молекулите на повърхностно активното вещество
Да кажем, че двеатомите са на безкрайно разстояние един от друг. Общата енергия на взаимодействие се състои от индивидуални вноски, т.е. енергии на изолирани атоми 1 и 2. Когато бъдат поставени в контакт, атомите ще взаимодействат един с друг и общата енергия на взаимодействие се изразява с уравнението
където U е междумолекулният потенциал. По дефиниция то е равно на работата, която трябва да се извърши, за да се прехвърлят атоми от безкрайно разстояние на разстояние r един от друг:
където F е силата, действаща между два атома. Тъй като силата е отрицателната производна на потенциалната енергия, може да се заключи, че отблъскващата сила не се определя непременно от отблъскващата енергия.
Помислете за атом, състоящ се от тежко, положително заредено ядро, заобиколено от бързи електрони, способни да реагират мигновено на промените в позицията на ядрото. Според приближението на Борн-Опенхаймер потенциалната енергия зависи само от относителното разположение на ядрата. В това приближение може да се реши числено уравнението на Шрьодингер. На практика този подход може да се приложи само към молекули, съдържащи не повече от 1000 електрона. За да се изследват взаимодействията на по-големи молекули, може да се опита да се раздели общата енергия на поредица от най-важните приноси и да се изследва всеки принос поотделно, надявайки се, че загубата в строгостта на теорията се компенсира от по-задълбочено разбиране на физическата природа на молекулярните сили.
Напомняме ви, че нашата дискусия първоначално е ограничена до взаимодействието между двойки атоми или молекули във вакуум. В този случай това наистина са двойни взаимодействия, които не зависят от разтворителя и температурата. След това разгледайте взаимодействието между две молекули в някаква среда, например взаимодействието на два йона във вода. В този случай взаимодействиетозависи от диелектричната проницаемост на разтворителя, поради тази причина взаимодействието става зависимо от температурата. Ние обозначаваме този тип взаимодействие като ефективен потенциал на двойка. Химиците често използват ефективни потенциали; например хидрофобните взаимодействия или екранираните взаимодействия на Кулон се описват от такива потенциали.
Разделение на междумолекулните взаимодействия по видове
Взаимодействието на близки разстояния се нарича обменни взаимодействия Uqxc. Енергията на обменното взаимодействие се изчислява на базата на квантовата механика, основана на принципа на Паули. Други сили на междумолекулно взаимодействие могат да се разглеждат в рамките на класическата електростатика. Общата енергия на взаимодействие може да бъде представена със следния израз:
където Ue\Q е енергията на прякото електростатично взаимодействие, а Umd и CZdis са енергиите съответно на индукционното и дисперсионното взаимодействие.
Като пример, на фиг. е показана енергията на взаимодействие между две водни молекули, изчислена по квантовомеханичния метод.
Енергията на взаимодействие между две водни молекули, изчислена чрез неемпиричен квантовомеханичен метод. Плътната линия е общата енергия на взаимодействие U. Точките показват приноса на електростатичния компонент L r eIe.
Това разпределение на енергията в няколко приноса не е единственото възможно. Предполага се, че взаимодействащите частици запазват своята индивидуалност и всички свои присъщи свойства.
Но това условие не винаги е изпълнено: всяка химическа реакция с образуването на нови ковалентни връзки е типичен пример за непригодността на такъв подход.
Помислете например за образуването на вода от O2 и H2. Нито един от реагентите не влизав реакцията няма диполен момент, докато реакционният продукт има много голям диполен момент.
Разделянето и класифицирането на приносите на различните взаимодействия е в известен смисъл личен избор. Няма смисъл да се разглеждат водородната връзка и комплексите с пренос на заряд като отделни видове взаимодействия. Водородното свързване може да се опише чрез електростатичния принос UQ\Q, а преносът на заряд е основно индуктивно взаимодействие, включено в Cind. Разбира се, тези четири вида взаимодействия не са независими, но за повечето системи термините, характеризиращи тяхната връзка, са малки и могат да бъдат пренебрегнати.
Възможно е също да се разпредели общата енергия на взаимодействие в отделни приноси за вътрешномолекулни взаимодействия в големи молекули, като протеини или полимери. В този случай се счита, че атоми или групи от атоми, разделени един от друг с повече от три или четири връзки, принадлежат към различни молекули. Обикновено, поради имплицитността на това приближение, се разграничават приносите на връзките, ъглите на връзката и двустенните ъгли. Някои видове вътрешномолекулни движения са почти класически, като въртене около връзка, докато бързите вибрации на връзката са строго квантово механични. Тези сили не могат да бъдат точно описани. Имайки предвид целите на това изложение, можем да се ограничим до оценените класически приближения.
За две произволно избрани разпределения на заряда и енергията на взаимодействието на Кулон се описва от уравнението
За два точкови заряда изразът се свежда до формата
Обикновено разпределението на заряда е представено от многополюсна серия, което дава възможност да се разглеждат отделно йон-йон, йон-дипол, дипол-дипол и т.н. взаимодействия.
Молекули, неимащи сферична симетрия, се характеризират с постоянни електрически моменти.
Моментът от нулев порядък е общият заряд Qy, а моментът от първи порядък е диполният момент, който е векторна величина:
Моментите от по-висок порядък са тензорни величини. Електрическите моменти на различни молекули взаимодействат помежду си, без да нарушават разпределението на зарядите.
Диполните моменти на молекулите се различават много силно: диполният момент m на полярните H2O молекули е 1,85 D; молекулиH33- 1.47 D, в същото време диполните моменти на наситените въглеводородни молекули са много малки и се появяват само за определени конформации. Стойностите на диполните моменти на някои малки молекули са дадени в табл.
Помислете отново за взаимодействието между две водни молекули. В този случай е достатъчно да се вземат предвид само електростатичните взаимодействия под формата на дипол-диполен потенциал:
което за колинеарно успоредно разположение на диполите се описва с израза
където m = 1,85 D и = 3 A. За сравнение припомняме, че квантово-механичното изчисление на енергията на взаимодействие за димер от водни молекули дава стойност от около - 25 kJ/mol.
Постоянни диполни моменти на малки молекули