Взаимодействие молекул

В зависимости от температуры вещество может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. При высоких температурах, , происходит ионизация и вещество переходит в состояние плазмы. Плазма – частично или полностью ионизованный газ, в целом нейтральный, т. к. плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы.

Для характеристики состояния вещества определяющую роль играет взаимодействие молекул. В идеальном газе взаимодействием молекул можно пренебречь. При увеличении плотности газа и температуры уже нельзя пренебречь процессами столкновения, поэтому необходимо учитывать размеры молекул и их взаимодействие. Молекулярное взаимодействие имеет электромагнитную и квантовую природу.

При сближении на расстояние возникают силы притяжения, называемые ван – дер – ваальсовыми силами.

Электрический диполь – система одинаковых по величине и противоположных по знаку зарядов, расположенных на расстоянии l. Дипольный электрический момент направлен от центра отрицательного к центру положительного заряда (рис. 8.5).

Если молекулы обладают дипольным электрическим моментом P_e, или более высокого порядка – квадрупольным Q_e и т. д., то сила взаимодействия между молекулами называется ориентационной.

Поскольку молекула в целом нейтральна, то на большом расстоянии от центра молекулы электрическое поле равно нулю.

Потенциал системы зарядов:

(8.14)

где r – расстояние от центра молекулы. Для нейтральной системы

, тогда потенциал .

Найдем напряженность электрического поля:

(8.15)

В направлении , перпендикулярном к оси диполя напряженность электрического поля:

(8.16)

Электрическое поле молекулы действует на заряженные частицы соседней молекулы, что приводит к ориентации дипольных моментов. Сила взаимодействия двух диполей:

(8.17)

где r – расстояние между центрами молекул.

Молекулы, не обладающие дипольным моментом, деформируются в электрическом поле соседней молекулы, т. к. смещаются центры положительного и отрицательного зарядов. Между молекулами возникают индукционные силы:

(8.18)

где a - поляризуемость молекулы.

Колебания электронов в молекуле возбуждают колебания электронов в другой молекуле. Когерентные колебания, происходящие с одинаковой частотой и в одинаковой фазе, приводят к дисперсному взаимодействию, которое характеризуется силой:

(8.19)

где I – потенциал ионизации молекулы.

При сближении молекул на расстояние возникает квантовое обменное взаимодействие, приводящее к образованию химической связи или к отталкиванию:

(8.20)

Результирующая сила:

(8.21)

где постоянные и - характеристики, зависящие от поляризуемости и от потенциала ионизации молекул.

Энергия молекул складывается из кинетической энергии и потенциальной энергии взаимодействия e_вз.:

(8.22)

Пусть одна из молекул покоится. На значительном расстоянии от нее энергия движущейся молекулы равна кинетической энергии: . При сближении молекул появляется потенциальная энергия:

(8.23)

При движении в области потенциальной ямы возрастает скорость молекулы ( ) и кинетическая энергия , но полная энергия системы молекул остается постоянной. При дальнейшем сближении начинается действие сил отталкивания. В состоянии равновесия энергия взаимодействия имеет минимальную величину.

Минимальное расстояние сближения молекул называется эффективным диаметром молекулы: d_эфф. (r > d_эфф. – притяжение, r < d_эфф. – отталкивание). Молекулярные силы не зависят от числа молекул, т.к. имеет значение воздействие на молекулу только ее ближайшего окружения, вследствие короткодействия молекулярных сил.