Молекулааралық өзара әрекеттесулерді түсіндіріңіз

Молекулалар арасындағы байланыс.Атомдар бір-біріне тартылысып молекула түзеді. Тартылыс күштері тек атомдар арасында ғана емес, молекулалар арасында да болады. Молекулалар арасында тартылыс күштерінің болатынына заттардың қатты және сұйық күйде болуының өзі дәлел. Мынадай мысал келтірейік. Хлор - кәдімгі жағдайда екі атомды молекуладан С1₂ тұратын газ. Енді газ күйіндегі хлорды суытатын болса, ол-34,0°С-та сұйық, ал-101,4°С-та қатты күйге айналады. Қатты хлордың 1 молі (71 грамы) 35,5 мл көлем алады, яғни 6,02·10²³ молекуладан тұратын қатты күйдегі хлор не бары 35,5 мл көлем алады. Осынша көп молекулалар жан-жаққа бытырап кетпей, өзара бірігіп азғантай ғана көлем алып тұрады. Бұл қатты хлордағы молекулалардың өзара тартылысып, байланысып тұрғанын көрсетеді. Сонымен молекулалар да өзара байланысады екен.

Молекулаларды байланыстыратын күштер, туралы ұғымды ғылымға бірінші рет енгізген Голландия ғалымы құрметіне Ван-дер-Ваальс күштері деп аталады. Ван-дер-Ваальс күштеріне сәйкес келетін энергия химиялық байланыстың энергиясынан жуық мөлшермен ондаған есе аз. Мұны мынадан байқауға болады. Хлор молекуласындағы С1₂ хлор атомдары бірімен-бірі коваленттік байланыспен байланысқан, бұл байланыстың энергиясы 57 ккал/моль. Қатты хлорда хлор молекулалары Ван-дер-Ваальс күштерімен байланысқан, оның энергиясы 3 ккал/моль. Осыдан Ван-дер-Ваальс күштері - валенттік күштерге қарағанда әлдеқайда әлсіз күштер екенін көрініп тұр.

Ван-дер-Ваальс күштерінің табиғаты қандай? Не себептен молекулалар біріне-бірі тартылысады? Бұл сұрақтарға жауап беру үшін алдымен молекулалардың электрлік қасиеттерімен танысамыз.

Молекуланың диполь сәті.Электрон тығыздығының таралуына сай молекулалар: полюссіз және полюсті болып екіге бөлінетіні белгілі. Полюссіз молекулалардың мысалы ретінде бірдей атомдардан тұратын Н₂, Ғ₂, С1₂, Вr₂, N₂, О₂ молекулаларды атауға болады.

Аталған молекулалардағы электрон тығыздығы екі атомның екеуінде де біркелкі таралған. Ал енді сутек фториді НҒ молекуласын алатын болса, ондағы электрон тығыздығының таралуы біркелкі емес. Байланыстырушы электрон бұлты фтор атомына қарай ығысқан. Сол себептен фтор атомында артық теріс, ал сутек атомында артық оң заряд пайда болады. Сутек фториді сияқты бір бөлігінде артық оң, ал екінші бөлігінде артық теріс заряд жинақталған молекулалар полюсті молекулалар деп аталады. Полюсті молекулаларды таңбалары қарама-қарсы, бірақ шамалары бірдей бірінен-бірі белгілі қашықтықта орналасқан зарядтардан (+δ және -δ) құралған диполь деп қарастыруға болады (75-сурет).

Зарядтардың арақашықтығы диполь ұзындығы деп аталады. Молекуланың полюстігі оның диполь сәтімен сипатталады. Молекуланың диполь сәті диполь ұзындығы мен заряд шамасы δ-ның көбейтіндісіне тең

μ = l·δ

Диполь ұзындығы шамамен 10^{-8 см,} ал электронның заряды 4,8, 10^-10 эл. ст. бірлікке тең, демек, диполь сәтінің шамасы 10^-18 маңында болады. Бұл шама бір дебай деп аталып, Д әріпі арқылы белгіленеді. Полюссіз молекулалардың диполь сәті нольге тең, ал полюсті молекулалардікі нольден үлкен.

4.19-кестеде кейбір молекулалардың диполь сәттері келтірілген. Екі атомды молекулалардың диполь сәті ондағы байланыстың диполь сәтімен анықталады. Мысалы, екі атомды сутек молекуласындағы байланыс полюссіз, осыған орай молекула да полюссіз, оның диполь сәті нольге тең. Ал хлор сутектегі байланыс полюсті байланыс, оның диполь сәті 1,04Д, осыған орай НСІ да полюсті молекула және оның диполь сәті байланыстың диполь сәтіне тең

Көп атомнан тұратын молекулалардың диполь сәті молекуладағы жеке байланыстардың диполь сәттерінің геометриялық қосындысына тең. Бірнеше мысалдар келтірейік. Үш атомнан тұратын СО₂ молекуласындағы жеке С-О байланыстарының диполь сәттері 2,7Д, бірақ осыған қарамастан молекуланың диполь сәті нольге тең, сондықтан молекула полюссіз. Мұның себебін 76-суреттен оңай түсінуге болады. Диполь сәті - векторлық шама, ол оң полюстен теріс полюске қарай бағытталған. Біздің мысалымызда С-О байланыстарының диполь сәттері кеміртектен оттекке қарай бағытталған. СО₂ молекуласы сызықтық молекула, ондағы С-О байланыстарының диполь сәттері шама жағынан біріне-бірі тең, бірақ, қарама-қарсы бағытталған. Қарама-қарсы бағытталған дипольдар бірін-бірі жойып, молекуланың диполь сәті нольге тең болады, осының салдарынан молекула полюссіз.

Енді үш атомнан тұратын, бірақ құрылысы бұрышты болып келетін су молекуласын қарастырайық. Су молекуласындағы Н-О байланыстарының диполь сәттері 1,51 Д және бұл байланыстар бірімен-бірі 105° бұрыш жасай орналасқан. Су молекуласының диполь сәті Н-О байланыстарының диполь сәттерінің геометриялық қосындысына тең болады. Геометрияда екі вектордың қосындысы сол вектордан құралған параллелограмманың диагоналына тең деген ереже бар. Енді осы ережеге сүйеніп су молекуласының диполь сәтін есептесек ол 1,84 дебайға тең болады (76-сурет). Сонымен көп атомды молекулалардың диполь сәті ондағы байланыстардың полюстігімен анықталады.

Лездік және индукцияланған дипольдар.Молекуладағы электрондар мен ядролар үздіксіз қозғалыста болады, осыған орай электрон тығыздығының таралуы да үздіксіз өзгеріп отырады. Мысалы, хлор полюссіз молекула, оның тұрақты диполь сәті нольге тең. Бірақ, электрондар мен ядролар үздіксіз қозғалыста болатындықтан, кейбір уақыт сәттерінде хлор атомдарының бірінде электрон тығыздығы артып, лездік диполь түзіледі: С1^+δ—С1^-δ . Лездік дипольдарүздіксіз түзіліп, үздіксіз жойылып тұрады, сондықтан да хлордың тәжірибе жүзінде анықталған диполь сәті нольге тең.

Егер молекуланы сыртқы электр өрісінің ықпалына ұшыратса (мысалы, конденсатор өрісіндегі молекула) оның электрон қауызы деформацияланады, яғни электрондар оң пластинкаға қарай, ал ядролар теріс пластинкаға қарай ығысады (77-сурет). Демек, сыртқы электр өрісінің әсерінен полюссіз молекула полюстенеді, ал полюсті молекулалардың полюстігі одан ары артады. Басқаша айтқанда, сыртқы электр өрісінің әсерінен молекулада диполь пайда болады, мұндай дипольдар индукцияланған дипольдар деп аталады. Индукцияланған диполь сыртқы электр өрісі болғанда ғана болады, сырттан әсер ететін электр өрісі жойылғанда индукцияланған диполь да жойылады.