Методы описания межмолекулярных взаимодействий.

Чтобы описать межмолекулярные взаимодействие, нужно последовательно решить следующие задачи:

1. Задание потенциалов парного взаимодействия

2. Задание полного потенциала взаимодействия молекулы с окружающей средой

3. Учет статистических особенностей межмолекулярных сил в неупорядоченных системах

4. Учет принципа Франка-Кондона для межмолекулярных взаимодействий

Впервые межмолекулярное взаимодействие принял во внимание Ван-дер-Ваальс в 1873 году для объяснения свойств реальных жидкостей и газов. Он предположил, что на малых расстояниях между молекулами действует сила отталкивания, которая сменяется силой притяжения на больших расстояниях. Ван-дер-Ваальс записал потенциал:

Потенциал Леннарда-Джонса:

. – глубина потенциальной ямы, , R – расстояние между центрами частиц.

Существует три модели потенциалов притяжения: ориентационная, индукционная и дисперсионная.

Ориентационные силы действуют между полярными молекулами, т.е. обладающими дипольными моментами. Силы притяжения между двумя полярными молекулами максимальны, если их дипольные моменты расположены вдоль одной линии и возникают благодаря тому, что расстояние между разноименными зарядами оказывается намного меньше, чем междуодноименными. Поэтому силы притяжения превосходят силы отталкивания.

Хаотическое тепловое движение изменяет ориентацию диполей, но среднее по возможным ориентациям значение силы взаимодействия остается стремящимся к нулю.

Впервые потенциал взаимодействия предложил Ксезон:

Индукционные или поляризационные силы действуют между полярной и неполярной молекулами. Полярная молекула создает электрическое поле, которое поляризует молекулу с электрическими зарядами, равномерно распределенными по объему. В результате у неполярной молекулы индуцируется дипольный момент. Энергия взаимодействия в этом случае пропорциональна дипольному моменту полярной молекулы и поляризуемости неполярной молекулы.

Потенциал Дебая:

Эта энергия называется индукционной, так как она появляется благодаря поляряризации молекул, вызванной электростатическим полем.

Дисперсионное взаимодействие действует между неполярными молекулами. В атомах и молекулах электроны совершают сложное движение вокруг ядер. В среднем по времени, дипольные моменты неполярных молекул оказываются равны нулю. Этот мгновенный диполь создает электрическое поле, поляризующее соседние молекулы. В результате возникает взаимодействие мгновенных диполей.

Потенциальная энергия дисперсионного взаимодействия тем больше, чем больше подвижность электронных оболочек атомов, т.е. пропорциональна их поляризуемости.

Потенциал Лондона:

Этот потенциал называется дисперсионным, потому что дисперсия света в веществе определяется также мгновенным смещением электронных оболочек под воздействием поля волны.

Дисперсионные силы действуют между всеми атомами и молекулами, т.к. механизм их появления не зависит от того, есть ли у атома или молекулы постоянный дипольный момент. Обычно эти силы превосходят по величине как индукционные, так и ориентационные силы молекулы с большими дипольными моментами.

Силы отталкивания действуют между молекулами на очень малых расстояниях, когда приходят в соприкосновение заполненные электронные оболочки атомов, входящих в состав молекул. Все силы отталкивания пропорциональны .

Общий потенциал взаимодействия.

Исходят из того, что полная энергия взаимодействия молекулы со средой должна быть функцией потенциалов парных взаимодействий, зависящей от взаимного расположения и конфигурации молекул.

С – константа, зависящая от плотности среды, g(R) – радиальная функция распределения.