Межмолекулярные взаимодействия представляют собой силы притяжения и отталкивания между молекулами, ионами или атомами, не связанные с образованием ковалентных или ионных химических связей. Эти силы существенно слабее внутримолекулярных, однако они определяют агрегатное состояние вещества, его растворимость, температуру плавления и кипения, вязкость, поверхностное натяжение и многие другие физико-химические свойства.
К межмолекулярным взаимодействиям относят:
Силы между ионами и полярными молекулами играют ключевую роль в процессах растворения электролитов. Катионы и анионы притягиваются к дипольным молекулам растворителя, чаще всего воды. Например, гидратация ионов Na⁺ и Cl⁻ в водном растворе обусловлена сильным электростатическим взаимодействием между зарядом иона и дипольным моментом молекулы воды. Эти взаимодействия сравнительно сильные среди межмолекулярных, что объясняет высокую растворимость солей в полярных растворителях.
Полярные молекулы, обладающие постоянным дипольным моментом, взаимодействуют друг с другом посредством электростатического притяжения. Примером служат молекулы HCl или H₂O. Сила диполь-дипольного взаимодействия зависит от величины дипольного момента и ориентации молекул в пространстве. Наибольшая энергия достигается при линейном расположении диполей «плюс к минусу».
Эти силы заметно влияют на температуры кипения веществ. Так, у соединений с близкой молекулярной массой, но разной полярностью, температура кипения выше у полярного вещества.
Неполярная молекула, помещённая в электрическое поле диполя, может поляризоваться, то есть приобрести индуцированный дипольный момент. Возникает слабое притяжение между молекулами. Этот вид взаимодействия играет роль при растворении неполярных веществ в полярных растворителях, а также при адсорбционных процессах.
Даже неполярные молекулы способны взаимодействовать благодаря кратковременным флуктуациям электронного облака. В какой-то момент распределение электронов становится несимметричным, и возникает мгновенный диполь. Этот диполь индуцирует диполь в соседней молекуле, что приводит к взаимному притяжению.
Дисперсионные силы присутствуют во всех веществах без исключения, но особенно важны для неполярных систем: благородных газов, молекул O₂, N₂, CH₄ и т. д. Их энергия возрастает с увеличением числа электронов и поляризуемости молекулы. Именно эти силы обеспечивают сжижение газов при низких температурах.
Особым видом диполь-дипольного взаимодействия является водородная связь. Она возникает, когда атом водорода связан с сильно электроотрицательным атомом (F, O, N) и сближается с неподелённой электронной парой другого электроотрицательного атома.
Водородная связь сильнее большинства других межмолекулярных сил и может приближаться по энергии к слабой ковалентной связи. Её существование объясняет аномально высокие температуры кипения и плавления воды, спиртов и карбоновых кислот, а также уникальные свойства льда.
Различают межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи. Первые обеспечивают ассоциацию молекул (например, в воде или HF), вторые стабилизируют структуру молекулы (как в орто-нитрофеноле).
Сила межмолекулярных взаимодействий определяет физические свойства веществ. Вещества с сильными межмолекулярными силами (вода, HF, NH₃) имеют высокие температуры кипения и плавления, значительное поверхностное натяжение и высокую вязкость. Напротив, неполярные вещества с преобладанием дисперсионных сил (например, метан) имеют низкие температуры кипения и легко переходят в газообразное состояние.
Межмолекулярные взаимодействия также определяют биологическую активность соединений. Функционирование белков и нуклеиновых кислот основано на водородных связях и слабых взаимодействиях, которые обеспечивают специфическую пространственную организацию макромолекул.