Межмолекулярное взаимодействие. Водородная связь.

Между валентно-насыщенными и в сумме электронейтральными молекулами вещества в различных агрегатных состояниях действуют силы притяжения и отталкивания, имеющие электростатическую природу. Относительная интенсивность этих сил во многом определяет физико-химические свойства вещества. Например, проявление сил отталкивания объясняет малую сжимаемость жидкостей и твердых тел. Силы притяжения лежат в основе таких явлений, как сжимаемость газов, адсорбция и т.д. Силы отталкивания есть результат взаимного отталкивания одноименно заряженных электронных оболочек. Силы отталкивания проявляются лишь на очень маленьких расстояниях и быстро убывают с увеличением расстояния. Eотт. =Ar^-n, n=12 r - расстояние между молекулами. A и n - константы, характеризующие конкретное вещество. Часто силы межмолекулярного притяжения называют силами Ван-Дер-Ваальса, так как в газах и жидкостях мера взаимного притяжения определяется как a/V² из уравнения Ван-Дер-Ваальса. Притяжение АА и ВВ – проявление когезии, АВ – адгезии. Различают

а) ориентационные силы

б) деформационные (индукционные)

в) дисперсионные силы.

a) ориентационные: они проявляются в случае, если молекула- ярко выраженный диполь. Такие молекулы стремятся расположиться упорядоченно: (+-) (-+) (+-) - уменьшение Eизб. В системе.

Е_ориент=

б)одна молекула полярна, другая – легко поляризуема. Под действием э.с. поля первой молекулы на 2 наводится диполь и они взаимодействуют. Е_инд=

в) дисперсионное. Если молекулы не полярны, возникает так называемые мгновенные диполи. В случае многоатомных молекул в эл.оболочке в одних местах сгущение, а в других - разряжение электронов: на какой-то момент времени молекула - диполь. Дисперсионные силы суммируются. Это преобладающий вид взаимодействия. Eд= (3h*l₁*l₂ *I₁*I₂) / (2r^6* (I₁+I₂) [I₁ ,I₂- потенциалы ионизации.

Ориентационное взаимодействие преобладает, если молекулы - яркие диполи. В общем виде:

Eпритяж.=-B*r^-m, m=6.

Eсум. = Eпритяж.+Eотталк. = A*r^-n -B*r^-6. Эти силы действуют на расстояниях 3-5 A (10^-8 см.)

E ~ 0.4*10^-4 кДж/Моль

Водородная связь наблюдается при взаимодействии водорода с сильно электроотрицательными элементами – O, F, N, реже Cl, S. Природа водородной связи до конца не изучена, так как она характеризуется как межмолекулярным, так и электростатическим взаимодействием.

В молекуле воды (сильной диполи) атомы водорода практически лишены электронных оболочек – они почти протоны, что дает им возможность притягиваться к кислороду из другой молекулы. Возникают ассоциаты (H₂O)_x, где х зависит от температуры.

В случае возникновения водородной связи водород ведет себя как двухвалентный элемент. L_O…H=1.76 ангстрем, l_{O-H (ковал)}=0,96 ангстрем. Энергия водородной связи 20-40 кДж/моль.

Водородная связь объясняет т.н. аномальные свойства воды – макс плотность при 4С (в этом случае (H₂O)₂, максимально плотно упаковываются), макс теплоемкость – т.к. энергия нагрева идет на разрыв водородных связей.

17. Система. Фаза. Компонент. Параметры. Функции состояния: внутренняя энергия и энтальпия. Стандартные условия.

Система - это тело или группа тел, находящихся в взаимодействии, которые мы мысленно выделяем из окружающей среды. Системы бываю гомогенными (смесь газов, раствор) и гетерогенные (вода со льдом, раствор с осадком). В гомогенной системе между частями системы нет поверхностей раздела, а в гетерогенной - есть. Если система не обменивается с окружающей средой веществом и энергией, то она называется изолированной. Если отсутствует массообмен, а энергообмен присутствует, то это закрытая система, иначе - закрытая.

Фаза - совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и всем физ\хим свойствам, не зависящим от количества вещества. Фазы отделены друг от друга поверхностями раздела, на которых все свойства фазы резко скачком меняются.

Компоненты - составные части системы - химически индивидуальные вещества, составляющие данную систему и способные к самостоятельному существованию, будучи изолироваными от других частей системы. Состояние системы определяется набором переменных величин - параметров. Различают параметры интенсивные и экстенсивные. Интенсивные - не зависят от массы или числа частиц в-ва. (P,T), а экстенсивные - зависят (V, E).

Очень большую роль в т.д. играют т.н. функции состояния - это такие функции, значения которых зависят только от состояния системы и не зависят от пути по которому система пришла в данное состояние. Изменение функции состояния delta x = x2-x1, где x1 - значение параметра в начале процесса, а х2- в конце. Математическим признаком ф-и состояния является то, что ее дифференциал является полным дифференциалом, характерным же признаком полного дифференциала является равенство частных производных. S=fi(x,y); dS=M dx+ Ndy.

[deltaM/deltaY]x = [delta N/deltaX]y. Пусть дифференциал ф-и S=fi(x,y)=dS=2xy dx + x^2 dy. Частные производные: [delta(2xy)/delta(y)]x = 2x; [deltax^2/deltax]y=2x; 2x=2x. Наиболее важной т.д.ф-й состояния является внутренняя энергия системы, обозначаемая буквой U. При переходе системы из какого-либо состояния1 в состояние2 deltaU=U2-U1. U характеризует собой запас энергии данной изолированной системы. В понятие U входят следующие слагаемые: Eпоступательного и вращательного движения молекул, Еатомов, Еэлектронов, внутриядерная энергия (все виды энергии кроме кинетической энергии движения системы в целом и потенциальной энергии положения системы в целом). В настоящее время не представляется возможным экспериментально определить или рассчитать запас U систем, но можно рассчитать или определить изменение U. Очевидно, что в круговом процессе изменения функции состояния=0. Если система вышла из состояния1, претерпела изменения и вновь вернулась в состояние1, то изменение ф-и состояния=0. Дифференциалы dU и dH - полные дифференциалы. Другой ф-й состояния, широко используемой в термодинамике является энтальпия - Н (теплосодержание) Н = U+ pv. Если системе, находящейся в условиях постоянства объема сообщить некоторое кол-во тепла, то оно израсходуется исключительно на увеличение внутренней энергии системы. Если же процесс происходит в изобарно-изотермических условиях, то система при изменении объема, совершит работу против сил внешнего давления: deltaH=deltaU+P*deltaV.