Описание
На больших расстояниях ван-дер-ваальсово взаимодействие имеет характер притяжения и возникает между любыми молекулами как полярными, так и неполярными. На малых расстояниях оно компенсируется отталкиванием электронных оболочек. Можно выделить следующие основные типы взаимодействий, называемых ван-дер-ваальсовыми.
1. Ориентационное (диполь–диполь) взаимодействие между полярными молекулами, т. е. молекулами с постоянными дипольными моментами. Потенциал взаимодействия () жестко ориентированных диполей является анизотропным, т. е. зависит от ориентации постоянного диполя. Он пропорционален квадратам дипольных моментов (
и
) и обратно пропорционален температуре (
) и шестой степени расстояния между диполями (
):
.
Кроме того, имеет место взаимодействие дипольных моментов с высшими мультипольными моментами (например, диполь-квадрупольное взаимодействие) и взаимодействие этих последних между собой, однако соответствующие вклады обычно заметно слабее.
2. Индукционное (постоянный диполь—наведенный диполь) взаимодействие между полярной и неполярной молекулами, при котором постоянный дипольный момент первой () взаимодействует с моментом, индуцированным его полем во второй. В этом случае потенциал обратно пропорционален шестой степени расстояния и прямо пропорционален поляризуемости неполярной молекулы (
) и квадрату постоянного дипольного момента:
.
Как и в предыдущих случаях, аналогичные эффекты, порожденные высшими мультипольными моментами, могут присутствовать, но гораздо менее существенны.
3. Дисперсионное (наведенный диполь—наведенный диполь) взаимодействие, представляющее собой взаимодействие моментов, возникающих, в классической модели, в результате мгновенных флуктуаций заряда (см. подробнее в статье взаимодействие, дисперсионное). Его потенциал также обратно пропорционален шестой степени расстояния и растет с ростом поляризуемости частиц:
.
Среди перечисленных наиболее сильными, как правило, являются дисперсионные взаимодействия. Для небольших молекул энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий может составлять порядка 1–30 кДж/моль. Ван-дер-ваальсово взаимодействие имеет место не только между молекулами, но и между нанообъектами, например углеродными нанотрубками. Несмотря на слабость этого взаимодействия, оно обеспечивает устойчивость молекулярных кристаллов, клатратов, супрамолекулярных комплексов, связь молекул с поверхностями (адсорбцию) и играет важную роль в процессах синтеза и самосборки молекулярных наноструктур.
Иллюстрации
Автор
- Еремин Вадим Владимирович
Источники
- Стид Дж. В., Этвуд Дж.Л. Супрамолекулярная химия. Т. 1. — М.: Академкнига, 2007. — 480 с.
- Dai L. Intelligent Macromolecules for Smart Devices: from Materials Synthesis to Device Applications. — London: Springer-Verlag, 2004. — 496 p.