Дисперсионное взаимодействие
В атомах и молекулах электроны сложным образом движутся вокруг ядер. В среднем по времени дипольные моменты неполярных молекул оказываются равными нулю. Но в каждый момент электроны занимают какое-то положение. Поэтому мгновенное значение дипольного момента отлично от нуля. Мгновенный диполь создаёт электрическое поле, поляризующее соседние молекулы. В результате возникает взаимодействие мгновенных диполей.
Считается, что дисперсионная энергия не имеет классического аналога и определяется квантовомеханическими флуктуациями электронной плотности.
Как показывает квантовая механика, мгновенные диполи возникают в твёрдых телах и жидкостях согласованно, причём концы соседних молекул оказываются заряженными электричеством противоположного знака, что приводит к их притяжению.
Таким образом, именно дисперсионные силы связывают между собой неполярные молекулы жироподобных веществ.
Расслоение воды и масла
Итак, как мы выяснили, молекулы жирных веществ неполярны. Они связываются друг с другом при помощи дисперсионных сил.
Молекулы воды, наоборот, полярны. Они ориентируются друг по отношению к другу своими разноимённо заряженными концами, вследствии чего наблюдается их взаимное притяжение.
В твёрдой воде (лёд) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме выше, в которой водордные связи показаны пунктиром.
В молекуле воды между атомами существует не только ориентационное взаимодействие, но также дисперсионное и индукционное (в этом главе мы не рассматривали индукционнее взаимодействие). Соотношение энергии этих взаимодействий следующее:
Ориентационные – 190 Дж м
Дисперсионные – 74,7 Дж м
Индукционные – 10 Дж м.
Таким образом, в молекуле воды ориентационные силы примерно в 2,5 раза превышают дисперсионные.
Что будет происходить, если смешать воду и масло в одной ёмкости?
Если тщательно перемешать эту смесь, то молекулы воды будут окружены, как себе подобными молекулами, так и молекулами масла.
Между молекулами воды и масла будут действовать дисперсионные силы притяжения. Как вы помните, эти силы в той или иной степени действуют между молекулами любых веществ. Но по своей интенсивности они будут решительно уступать ориентационныи силам, действующим между молекулами воды.
Молекулы масла, в этом случае, окажутся препятствием для молекул воды, желающим воссоединиться. Молекулы масла, при этом, будут вытесняться более энергично взаимодействующими молекулами воды на переферию.
А так как по своему весу масло легче воды, то рано или поздно оно всё окажется в верхней части нашей ёмкости. Произойдёт полное расслоение двух жидкостей.
Тот же самый процесс можно описать в других терминах.
В любой дисперсной системе самопроизвольно будут протекать процессы, направленные на уменьшение потенциальной энергии системы.
В данном случае потенциальную энергию, как правило, называют свободной поверхностной энергией, и она напрямую связана с площадью поверхностей раздела фаз.
Когда вода и масло были перемешаны между собой, площадь раздела фаз была максимальной. Но когда произошло полное раслоение, то площадь раздела фаз стала наименьшей.
Первому состоянию свойственно напряжение. Между разноимённо заряженными диполями воды действуют силы притяжения, обуславливающие относительно высокую потенциальную энергию системы. Но когда жаждующие друг друга разноимённые диполи соединятся – напряжение спадёт, потенциальная энергия системы уменьшится. Каждый получит то, что он хотел.