Суммарный потенциал ван-дер-Ваальса представляет собой результирующую энергию взаимодействия между нейтральными атомами и молекулами, возникающую в результате совокупности нескольких физических факторов: дисперсионных, индукционных и ориентационных взаимодействий. Эти силы имеют универсальный характер и действуют между всеми частицами, независимо от их природы, определяя поведение молекул в конденсированных средах, кристаллах, растворах и супрамолекулярных системах.
Ван-дер-ваальсовы силы не связаны с образованием химических связей в классическом смысле, так как не предполагают обмена или перераспределения электронов между атомами. Их происхождение коренится в неравномерностях распределения электронного облака и во взаимодействии возникающих при этом временных, индуцированных и постоянных диполей.
Суммарный потенциал ( U_{} ) описывается как сумма трёх основных составляющих:
[ U_{} = U_{} + U_{} + U_{}]
где
Эти компоненты различаются по природе возникновения, зависимости от расстояния и температурной чувствительности.
Дисперсионный вклад обусловлен мгновенными флуктуациями электронной плотности в атомах и молекулах, создающими временные диполи, которые индуцируют ответные диполи в соседних частицах. Этот тип взаимодействия всегда притягивающий и существует даже между неполярными системами.
Математически дисперсионный потенциал можно выразить через зависимость:
[ U_{}(r) = -]
где ( C_6 ) — константа, определяемая поляризуемостью и ионизационным потенциалом взаимодействующих частиц, а ( r ) — межмолекулярное расстояние.
Сила этих взаимодействий особенно значительна в системах с обширными π-электронными облаками, например в ароматических соединениях, где коллективные электронные колебания усиливают мгновенные диполи.
Индукционные силы возникают в результате взаимодействия между постоянным диполем одной молекулы и индуцированным диполем другой. Электрическое поле полярной молекулы вызывает смещение электронного облака неполярной молекулы, что приводит к появлению наведённого диполя.
Индукционный потенциал также носит притягательный характер и зависит от квадрата дипольного момента и поляризуемости партнёра:
[ U_{}(r) = -]
где ( C_8 ) включает параметры дипольного момента ( ) и поляризуемости ( ). В отличие от дисперсионных взаимодействий, индукционные силы проявляются только при наличии хотя бы одной полярной молекулы и могут зависеть от температуры слабее, чем ориентационные.
Ориентационные взаимодействия, или силы Кеезома, возникают между постоянными диполями. Их природа определяется взаимным расположением диполей в пространстве: параллельная ориентация способствует притяжению, антипараллельная — отталкиванию.
При термическом движении ориентация диполей становится статистической, и усреднённая энергия взаимодействия имеет вид:
[ U_{}(r, T) = -]
где ( T ) — абсолютная температура, а ( C_9 ) зависит от дипольных моментов взаимодействующих частиц. Эта зависимость показывает, что ориентационные взаимодействия ослабевают при повышении температуры вследствие усиления хаотического вращения молекул.
Все три типа взаимодействий имеют одинаковую степенную зависимость ( r^{-6} ), но различную температурную зависимость и физическую природу. Их совместное действие приводит к формированию суммарного ван-дер-ваальсового потенциала, который описывается приближённой формулой Леннард-Джонса:
[ U(r) = 4]
Здесь ( ) характеризует глубину потенциальной ямы (энергию взаимодействия), а ( ) — эффективный диаметр молекулы, при котором ( U(r) = 0 ). Член ( r^{-12} ) эмпирически вводится для описания короткодействующего отталкивания, обусловленного перекрытием электронных оболочек (эффект Паули), а член ( r^{-6} ) отражает суммарное притяжение ван-дер-ваальсовой природы.
Такой потенциал корректно описывает равновесное расстояние между молекулами и энергетическую стабильность слабых ассоциатов, включая димеры благородных газов, межслоевые взаимодействия в графите и стабилизацию супрамолекулярных комплексов.
Величина ван-дер-ваальсовых взаимодействий, как правило, составляет 0,5–5 кДж/моль для лёгких атомов и может достигать десятков килоджоулей на моль в системах с развитой поляризуемостью. Несмотря на малость по сравнению с ковалентными или ионными связями, совокупное действие этих сил определяет плотность упаковки молекул в кристаллах, температуру кипения и плавления веществ, сорбционные и адгезионные свойства, а также конформационную стабильность макромолекул.
В супрамолекулярной химии суммарный потенциал ван-дер-Ваальса играет ключевую роль в формировании слабых, но направленных взаимодействий, ответственных за самоорганизацию систем, молекулярное узнавание и комплементарное связывание рецепторов и субстратов. Он обеспечивает тонкий баланс между притяжением и отталкиванием, регулируя оптимальные межмолекулярные расстояния в надмолекулярных структурах, мембранных комплексах и кристаллических решётках включения.
Таким образом, ван-дер-ваальсов потенциал представляет собой универсальную энергетическую основу всех нековалентных взаимодействий, объединяя различные типы слабых сил в единую модель, описывающую устойчивость и динамику супрамолекулярных систем.