Взаимодействие между молекулами

Силы притяжения, не приводящие к образованию химических соединений, называются силами Ван-дер-Ваальса. Они очень короткодействующие. В основе их лежит электростатическое взаимодействие диполей. Эти силы обусловлены электростатическим притяжением отрицательно заряженных электронов одного атома положительно заряженным ядром другого. Поскольку ядра атомов экранированы окружающими электронами, эти силы неодинаковы и весьма невелики.

Существуют различные типы сил Ван-дер-Ваалъса: дисперсионные, ориентационные и индукционные.

В случае полярных молекул соседние диполи ориентируются друг по отношению к другу противоположно заряженными полюсами и наблюдается взаимное притяжение. Такой тип взаимодействия называется ориентационным. С ростом температуры взаимное притяжение ослабевает.

В случае взаимодействия неполярных молекул наблюдается возникновение индуцированных диполей. Каждый атом создает вокруг себя электрическое поле, которое оказывает поляризующее действие на атом соседней молекулы. Молекула поляризуется и ив свою очередь поляризует соседние молекулы. Возникает взаимное индукционное притяжение.

Движение электронов в атомах и колебания ядер вызывают возникновение мгновенных диполей. Мгновенные диполи возникают согласованно, и ближайшие участки соседних молекул оказываются заряженными зарядом противоположного знака, что приводит к их притяжению. Это называется дисперсионным взаимодействием.

Наряду с ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями водородные связи являются важнейшими для биологических систем.

Водородной атом может образовывать только одну ковалентную связь, но свойства некоторых соединений показывают, что существует специфическое межмолекулярное взаимодействие между молекулами, содержащими водород, и молекулами с атомами фтора, хлора, азота, серы, кислорода. Возникновение водородной связи объясняется действием электростатических сил.

При возникновении ковалентной связи меду атомом водорода и, например, атомом фтора электронное облако водорода сильно смещается к атому фтора. Атом фтора приобретает значительный эффективный отрицательный заряд. Ядро водорода почти лишатся электронной оболочки. Между протоном атома водорода и отрицательно заряженным атомом фтора соседней молекулы НF возникает электростатическое притяжение, что и приводит к образованию водородной связи.

Водородная связь образуется в тех случаях, когда положительно заряженный конец одного из диполей (одной из поляризованных связей) притягивается к отрицательно заряженному концу другого диполя.

Гидрофобность — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.

Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. В воде такие молекулы часто кластеризуются с образованием мицелл.

Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие уникальные свойства воды. В то же время, гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Взаимодействие между молекулами воды и большими неполярными другими молекулами значительно слабее, чем взаимодействия молекул воды между собой, обусловленные водородными связями. Внедрение больших молекул в воду должно приводить к разрыву водородных связей, поэтому эти молекулы выталкиваются (подобно маслу) из воды.

Говорят, что они выталкиваются под влиянием гидрофобных взаимодействий. Главной причиной гидрофобных взаимодействий является относительно большая величина, водородных связей между молекулами воды.

Именно этот эффект определяет гидрофобное взаимодействие, называемое так не совсем корректно, так как его источником является взаимодействие гидрофильных молекул воды между собой. Так, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) будут находиться в таком состоянии, где поверхность их контакта будет минимальной.

Гидрофобные взаимодействия не являются новым типом взаимодействий между молекулами. Это кооперативное проявление обычных ван-дер-ваальсовых взаимодействий и водородных связей между молекулами.

Полярные молекулы сравнительно легко растворяются в воде. Растворимость в этом случае обусловлена выигрышем свободной энергии при ориентации молекул воды в электрическом поле полярных молекул. При этом говорят, что проявляется гидрофильное взаимодействие. Гидрофильное взаимодействие также не является новым типом взаимодействия. Это проявление суммарного эффекта гидратации, обусловленной парой электрических зарядов, связанных в дипольном моменте растворенной молекулы.