Ван-дер-ваальсовы взаимодействия представляют собой слабые
межмолекулярные силы, которые возникают вследствие колебаний электронной
плотности в атомах и молекулах, создающих временные диполи. Несмотря на
свою слабость по сравнению с ковалентными или ионными связями, эти
взаимодействия играют ключевую роль в формировании структуры
молекулярных кристаллов, биомолекул и аморфных материалов.
Типы ван-дер-ваальсовых
взаимодействий
Дисперсионные силы (Лондонские силы)
- Происходят из-за мгновенных колебаний электронной плотности,
создающих временные диполи.
- Обладают универсальным характером: проявляются между всеми атомами и
молекулами, вне зависимости от их полярности.
- Сила взаимодействия увеличивается с ростом поляризуемости атома или
молекулы, что объясняет, почему тяжёлые газы (например, ксенон, радон)
имеют более высокие температуры конденсации.
Диполь-дипольные взаимодействия (Керровские)
- Возникают между постоянными полярными диполями.
- Энергия взаимодействия пропорциональна произведению дипольных
моментов молекул и обратно пропорциональна кубу расстояния между
ними.
- Обеспечивают ориентацию молекул в кристаллической решётке, создавая
упорядоченные структуры.
Диполь-индуцированные диполи
- Возникают, когда полярная молекула индуцирует диполь в неполярной
молекуле.
- Энергия этих взаимодействий обычно меньше, чем у диполь-дипольных,
но больше, чем у дисперсионных сил в малых молекулах.
Роль в кристаллохимии
Ван-дер-ваальсовы взаимодействия определяют упорядоченность и
стабильность молекулярных кристаллов, особенно для органических
соединений:
- В ароматических системах взаимодействия π-электронов приводят к
образованию стэкинг-структур.
- В молекулах с длинными углеводородными цепями дисперсионные силы
способствуют плотной упаковке и формированию слоистых структур.
- Эти взаимодействия важны для гибридных и супрамолекулярных
кристаллов, где точная ориентация молекул поддерживается за
счёт множества слабых контактов.
Энергетические и
структурные особенности
- Энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий обычно составляет
0,1–5 кДж/моль, что значительно меньше энергии
ковалентных (≈200–400 кДж/моль) или ионных связей (≈400–1000
кДж/моль).
- Их сила сильно зависит от расстояния между молекулами: дисперсионные
силы уменьшаются пропорционально шестой степени расстояния.
- Даже слабые взаимодействия способны существенно влиять на
физические свойства веществ, включая температуры плавления,
растворимость, механическую прочность кристаллов и фазовые
переходы.
Применение и значимость
- В биохимии ван-дер-ваальсовы силы определяют структурную
стабильность белков и нуклеиновых кислот, способствуя
сворачиванию белков и специфическому комплементарному взаимодействию
молекул ДНК.
- В материаловедении слабые взаимодействия управляют свойствами
органических полупроводников, молекулярных кристаллов и
наноматериалов.
- В фармакологии контроль ван-дер-ваальсовых контактов позволяет
оптимизировать связывание лекарственных молекул с
мишенями.
Методы изучения
- Рентгеноструктурный анализ и нейтронная
дифракция позволяют визуализировать упорядоченные структуры
кристаллов и оценивать вклад слабых взаимодействий.
- Калькуляции методом квантовой химии (DFT, MP2) дают
возможность прогнозировать энергетику дисперсионных взаимодействий.
- Термодинамические измерения (теплоты плавления,
температуры конденсации) позволяют количественно оценивать вклад
ван-дер-ваальсовых сил в стабильность веществ.
В совокупности ван-дер-ваальсовы взаимодействия формируют основу
молекулярной кристаллохимии, влияя на упаковку, стабильность и
физико-химические свойства кристаллов, несмотря на их
относительно слабую природу.