26. ПРИРОДА СИЛ МОЛЕКУЛЯРНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ

Силы молекулярного притяжения имеют сложную природу, хотя в конечном счете все они сводятся к взаимодействию электрических зарядов.

Как известно, атомы, входящие в состав молекул, состоят из положительно заряженных ядер, окруженных большим или меньшим количеством быстро вращающихся электронов. Хотя в сумме положительные заряды атомных ядер в молекулах равны суммарному отрицательному заряду электронов, т. е. в целом молекулы электрически нейтральны, однако пространственно положительные и отрицательные заряды не совпадают.

Рис. 39. Строение молекулы воды.

В настоящее время достоверно известно, что существуют молекулы, у которых электрические заряды распределены неравномерно. У подобной молекулы в одной части оказываются преобладающими положительные заряды, а в другой — отрицательные. Два равных разноименных электрических заряда, разделенные некоторым расстоянием, образуют электрический диполь. Поэтому молекулы с несимметричным распределением электрических зарядов называют дипольными, или полярными, молекулами. Примером полярной молекулы может служить молекула воды (рис. 39). Та часть молекулы, в которой расположен атом кислорода, заряжена преимущественно отрицательно.

Дипольные молекулы всегда стремятся ориентироваться друг относительно друга так, чтобы против положительного полюса одной молекулы располагался бы отрицательный полюс другой. Это обусловлено электрическим взаимодействием разноименных полюсов. Несмотря на то что тепловое движение молекул нарушает подобную ориентацию, все же она является преимущественной, в результате чего между дипольными молекулами возникают силы притяжения. Поскольку этот вид взаимодействия молекул связан с их взаимной ориентацией, его называют ориентационным взаимодействием, или ориентационным эффектом. Ориентационный эффект — одно из слагаемых ван-дер-ваальсовых сил.

Однако это взаимодействие не может во всех случаях объяснить молекулярное притяжение. Наряду с полярными молекулами

существуют молекулы с симметричным расположением электрических зарядов, не имеющие дипольного момента. Такие молекулы называют неполярными. Неполярны молекулы двухатомных газов: азота, кислорода, водорода, молекулы углекислоты, пары бензола и многие другие.

Симметричность электрических зарядов в неполярных молекулах легко нарушается, если подобная молекула оказывается вблизи полярной молекулы или иона.

В этих условиях у неполярной молекулы возникает дипольный момент, называемый индуцированным дипольным моментом. Взаимодействие индуцированных дипольных моментов, возникших в молекулах, вызывает в свою очередь возникновение молекулярного притяжения. Это взаимодействие называют индукционным эффектом. Индукционный эффект незначителен и не может объяснить наблюдаемую на опыте величину ван-дер-ваальсовых сил.

За редким исключением молекул с большим дипольным моментом, основной причиной возникновения молекулярного притяжения являются взаимодействия так называемых мгновенных, или осциллирующих диполей.

Входящие в состав молекулы положительно заряженные ядра атомов и отрицательно заряженные электроны совершают своего рода колебания друг относительно друга. Таким образом, мгновенная картина даже неполярной молекулы обнаруживает различные смещения ядер и электронов. Величина этого смещения изменяется во времени так, что молекулы вне зависимости от того, полярны они или нет, ведут себя как периодически возникающие (осциллирующие) диполи. При сближении молекул мгновенные диполи вызывают появление в соседних молекулах согласованно изменяющихся индуцированных диполей, взаимодействие с которыми и приводит к возникновению молекулярного притяжения.

Таблица 11 (см. скан) Соотношение между различными составляющими молекулярных сил

Те же колебания электрических зарядов в молекулах вызывают различное преломление лучей света с разной длиной волны, называемое дисперсией и проявляющееся в возникновении оптического спектра. По этой причине силы, обусловленные взаимодействием мгновенных диполей, называют дисперсионными силами. В реальных газах с неполярными молекулами ван-дер-ваальсовые силы практически полностью обусловлены дисперсионным взаимодействием.

В таблице 11 приведены относительные величины ориентационного, индукционного и дисперсионного взаимодействия для некоторых молекул.