Molekulyar oʻzaro ta'sir kuchlari

Molekulyar oʻzaro taʼsir — molekulalar va / yoki atomlar oʻrasidagi oʻzaro taʼsir hisoblanib, kovalent (kimyoviy) bogʻlanishlarning shakllanishiga olib kelmaydi.

Molekulyar oʻzaro taʼsir elektrostatik xususiyatga ega bo`lib, uning mavjudligi haqidagi faraz birinchi marta J. D. Van der Vaals tomonidan 1873-yilda xaqiqiy gazlar va suyuqliklarning xususiyatlarini tushuntirish uchun ishlatilgan. Keng maʼnoda uni har qanday zarralar (molekulalar, atomlar, ionlar) oʻrtasidagi kimyoviy yaʼni ion, kovalent yoki metall bogʻlanishlar hosil boʻlmagan oʻzaro taʼsirlar deb tushunish mumkin. Boshqacha qilib aytadigan boʻlsak, bu oʻzaro taʼsirlar kovalent oʻzaro taʼsirlardan ancha zaifdir va oʻzaro taʼsir qiluvchi zarrachalarning elektron tuzilishini sezilarli darajada oʻzgartirishga olib kelmaydi. Yuqorida aytilganlar qisman toʻgʻri ekanligini taʼkidlash kerak. Masalan, barcha fermentativ va katalitik reaktsiyalar substrat va ferment yoki molekula bilan katalizator oʻrtasidagi zaif molekulalararo oʻzaro taʼsirdan boshlanadi; ammo, ferment faol markazining zarur fazoviy konfiguratsiyasi bilan bir nechta bunday zaif oʻzaro taʼsirlar, molekulalar yoki substratning energiya holatini shu qadar kuchli oʻzgartiradiki, oxir-oqibat, baʼzilarining yorilishi va boshqa kovalent kimyoviy bogʻlarning paydo boʻlishiga olib keladi. Toʻgʻri aytganda, barcha fermentativ reaktsiyalar substrat va fermentning molekulalararo oʻzaro taʼsiridan boshlanadi, shuning uchun bu oʻzaro taʼsirlarning ahamiyati ayniqsa biokimyo va molekulyar biologiyada katta ahamiyatga ega va aslida fermentologiyaning asosidir.

Katta masofadagi kichik molekulalar uchun jozibador kuchlar ustunlik qiladi, ular orientatsion, qutblanish (induksiya) va dispersiya xarakteriga ega boʻlishi mumkin (2-rasmga qarang). Van der Waals kuchlari va dispersiya kuchlari maqolalarida batafsil maʼlumot). Issiqlik harakati tufayli zarrachalarning aylanishi boʻyicha oʻrtacha hisoblanganda, molekulalararo kuchlarning potentsiali masofaning oltinchi darajasiga teskari proportsional boʻladi va ion-dipol (ikkalasi doimiy va induksiyalangan dipol bilan) toʻrtinchi darajaga teskari proportsionaldir. Kichik masofalarda zarrachalarning elektron qobiqlarining itaruvchi kuchlari ustunlik qila boshlaydi. Maxsus holat — bu vodorod aloqasi, bu atomlar etarlicha katta samarali zaryadga ega boʻlganda, bir molekulaning vodorod atomi va boshqasining elektronegativ atomi oʻrtasidagi qisqa masofada sodir boʻladigan oʻzaro taʼsir.

Zarrachalarning yig`ilishi va ular orasidagi o`zaro tortishish va itarilish oʻrtasidagi muvozanat bilan belgilanadigan kondensatsiyalangan fazadagi masofani molekula tarkibidagi atomlarning Van der Vaals radiuslaridan (ionlar holatida ion) taxmin qilish mumkin: turli molekulalarning atomlari orasidagi masofalar, bu atomlarning radiuslari yigʻindisidan oshmasligi kerak. Molekulyar oʻzaro taʼsirlarni modellashtirish uchun empirik potensiallar qoʻllanadi, ular orasida eng mashhurlari Lennard-Jons potentsiallari (itarish oʻzaro masofaning oʻn ikkinchi kuchi bilan tavsiflanadi, tortishish oltinchi) va Bukingem (fizik jihatdan asosli eksponensial itarilish bilan)., ulardan birinchisi hisob-kitoblar uchun qulayroqdir. Molekulalarning bir-biriga yaqinligi tufayli koʻp qutbli kengayish kam qoʻllanadigan kondensatsiyalangan fazada bir xil potentsiallarga asoslangan atom-atom potentsiallari usulidan foydalanish mumkin, ammo atomlarning juft oʻzaro taʼsiri uchun va ularning samarali zaryadlarining oʻzaro taʼsirini tavsiflovchi Kulon atamalarining qoʻshilishi.

Hozirgi vaqtda molekulalararo oʻzaro taʼsirlar muvozanatining miqdoriy tavsifi uchun Xirshfeld sirtini hisoblash va tahlil qilishning matematik usuli ishlab chiqilgan (odatda CrystalExplorer dasturi yordamida). Asosiy tushunchalarda berilgan, hisob-kitoblarni amalga oshirish tartibida usulni qoʻllash misolida tasvirlangan.

Molekulyar oʻzaro taʼsir, vodorod bogʻi

Dipol molekulasi oʻz atrofida elektrostatik maydon hosil qiladi va tizimning qolgan dipollarini yoʻnaltiradi, bu esa energiyaning pasayishiga olib keladi. hisoblangan P. Kizom, qutbli molekulalar orasidagi orientatsion dipol-dipol taʼsirning oʻrtacha energiyasi:

$U_{or}=-{\frac {2}{3}}{\frac {\mu ^{4}}{r^{6}kT}},$ (formula 1) bu yerda $\mu$ — molekulaning dipol momenti; r — molekulalarning markazlari orasidagi masofa; k — Boltsman doimiysi; T — Kelvindagi harorat.

Maxrajdagi omil (kT) harorat oshishi bilan ortib boruvchi termal harakat tufayli dipollarning orientatsiyasiga tebranishlarning taʼsirini aks ettiradi. Orientatsion taʼsirga qoʻshimcha ravishda, induksiya effektini ham hisobga olish kerak ( $U_{ind}$ ), yaʼni dipolning qisqargan dipol bilan oʻzaro taʼsiri, bu esa mos ravishda P. Debye quyidagilarga teng:

$U_{ind}=-{\frac {2\alpha \mu ^{6}}{r^{6}}}.$ (formula 2)

Orientatsiya va induksiya kuchlari qutbli molekulalar oʻrtasida yuzaga keladi va qutbsiz molekulalar orasidagi molekulalararo oʻzaro taʼsirni tushuntirib bera olmaydi. Aytgancha, zaif kvadrupol-quadrupol oʻzaro taʼsirini hisobga olsak, muammoni hal qilmaydi, ayniqsa turdagi molekula $CH_{4}$ va inert gazlar atomlari umuman toʻrt kutupli momentga ega emas (biz taʼkidlaymizki, turdagi molekulalar $CO_{2},BeH_{2};$ toʻrt kutuplilarni diatomik gomonukulyar molekulalar deb hisoblash mumkin — $H_{2},N_{2},O_{2}$ va boshqalar.

Nopolar sistemalardagi molekulalararo kuchlarning tabiatini F. Kvant mexanikasi yordamida London. Biz faqat atom elektronlarining harakati paytida korrelyatsiyani hisobga olish energiyaning pasayishiga olib kelishini aytishimiz mumkin. Agar turli atomlardagi elektronlarning harakati oʻzaro bogʻliq boʻlsa, bu ham energiyaning pasayishiga yordam beradi. Mobil elektronli atomlarni maʼlum chastotada tebranuvchi dipollar deb hisoblash mumkin $v_{0}$ . Elektronlarning sinxron harakati bilan lahzali dipollar har doim shunday yoʻnaltiriladiki, bu energiyaning pasayishiga olib keladi:

$U_{disp}=-{\frac {3}{4}}{\frac {hv_{0}\alpha ^{2}}{r^{6}}}.$ (formula 3)

Oʻzgartirish $hv_{0}$ yoqilgan $I$ , bu yerda $I$ — molekulaning (atomning) ionlanish energiyasi, biz quyidagilarni olamiz:

$U_{disp}=-{\frac {3}{4}}{\frac {I\alpha ^{2}}{r^{6}}}.$ (formula 4) Bu formulani tebranish nazariyasiga asoslangan holda (tebranishli dipol modelidan foydalanmasdan) yanada izchil olish mumkin.

J. Slater va J. Kirkvud koʻp elektronli atomlarning oʻzaro taʼsiri uchun quyidagi formulani oldi:

$U_{disp}=-{\frac {3}{4}}{\frac {\hbar e}{r^{6}}}{\sqrt {\frac {N\alpha ^{3}}{m}}},$ (5-formula) bu yerda N — tashqi qobiqdagi elektronlar soni; m — elektron massasi; e — uning zaryadi.

(3) va (5) formulalar N=1 da mos keladi, agar oʻrniga $v_{0}$ uning ifodasini almashtiring: $v_{0}=e/2\pi {\sqrt {\alpha m}}.$ Yuqoridagi formulalardan xulosa qilishimiz mumkinki, London kuchlarining kattaligini belgilaydigan asosiy xususiyat qutblanishdir ( $\alpha$ ) atomlar (molekulalar). Polarizatsiya yorugʻlikning sinishi koʻrsatkichi bilan chambarchas bogʻliq boʻlganligi va moddaning yorugʻlik energiyasini (tarqalishi) tarqatish qobiliyatini tavsiflaganligi sababli, London kuchlari koʻpincha dispersiv deb ataladi ( $U_{disp}$ )

Polarizatsiya zarrachalar hajmiga bogʻliq, shuning uchun molekulyar panjaralarning kuchi oʻzaro taʼsir qiluvchi atomlar va molekulalarning kattaligi bilan ortishi kerak. Bu naqsh qaynoq nuqtalarining ortishi bilan yaxshi tasvirlangan (eritish, sublimatsiya, bugʻlanish va boshqalarning issiqliklari va harorati uchun oʻxshash bogʻliqliklar kuzatiladi). va hokazo, yaʼni molekulyar bogʻlanish kuchiga bogʻliq boʻlgan miqdorlar uchun) inert gazlar guruhida, parafinlarning gomologik qatorida.

Modda	U	Yoʻq	Ar	kr	Xe	Rn	$CH_{4}$	$C_{2}H_{6}$	$C_{3}H_{8}$	$C_{4}H_{10}$	$C_{5}H_{12}$	$C_{6}H_{14}$
Qaynatish harorati, $^{\circ }C$	−268,9	−246	−185,8	−153	−108	−63	−161	−88	−42	−0,5	+36	+69

Geliy atomi juda kichik va geliy atomlarining oʻzaro taʼsirida dispersiya kuchlari shunchalik zaifki, geliy hatto oddiy bosim va 0K da kristall holatda boʻlolmaydi. Buning sababi, geliy uchun bogʻlanish energiyasidan kattaroq boʻlgan nol kinetik energiyaning mavjudligi. Bogʻlangan atomlarda (0K da) yadrolarning kinetik energiyasining mavjudligi Geyzenberg noaniqlik munosabatlarining natijasidir.

Geliy uchun bogʻlanish energiyasi $E_{kinetic}={\frac {(\vartriangle p)^{2}}{2m}}={\frac {h^{2}}{2m(\vartriangle x)^{2}}}=0,200$ kJ/mol, bu yerda m — geliy atomining massasi.

Shunung uchun, $\vartriangle E_{kinetic}>E_{call}$ va kristall holatni hatto 0K da amalga oshirib boʻlmaydi. Faqat yuqori tashqi bosimda geliy kristall holatga oʻtishi mumkin.

Barcha molekulalararo oʻzaro taʼsirlar (ular koʻpincha umumiy nom bilan birlashtiriladi — van der Vaals oʻzaro taʼsiri) bu shaklda ifodalanishi mumkin:

$U=-{\frac {A}{r^{6}}}.$

Orientatsiya, induksiya va dispersiya oʻzaro taʼsirlari bogʻlanish energiyasiga turli hissa qoʻshadi. Atomlar va qutbsiz molekulalar uchun $U_{or}$ Va $U_{ind}$ nolga teng va faqat dispersiya oʻzaro taʼsiri qoladi. Molekulalarning dipol momenti bilan orientatsiya va induksiya kuchlarining hissasi ortadi. Bir molekulada $CO\mu =0,12D$ (1D-debye= $3,33564\cdot 10^{-30}$ cl*m) $U_{or}$ 0,005% hissa qoʻshadi va $U_{or}$ — 14,4%, $U_{ind}$ — 4,2%; IN $HBr\mu =0,78D,$ $U_{or}$ — 3,3%, $U_{ind}$ — 2,2%; $HC1\mu =1,03D,U_{or}$ — 14,4%, $U_{ind}$ — 4,2%.

Yuqoridagi formulalar tufayli biz juda qutbli molekulalar uchun ham dispersiyaning oʻzaro taʼsiri katta hissa qoʻshadi degan xulosaga kelishimiz mumkin.

Qattiq jismdagi molekulalararo oʻzaro taʼsirlar

Organik molekulalarni oʻz ichiga olgan kristalli qattiq jismlar va shunga oʻxshash bir qator holatlar uchun Xirshfeld yuzasi yordamida maʼlum bir qattiq jismga kiritilgan molekulalar orasidagi boʻshliqni ajratishni tashkil qilish mumkin boʻldi. Ushbu boʻlinish har xil turdagi molekulalararo oʻzaro taʼsirlarning (vodorod aloqasi, pi-galogen, halogen-galogen va boshqalar) hissalarini miqdoriy taqqoslash imkonini berdi molekulalararo oʻzaro taʼsirlarning umumiy muvozanatiga va bir molekula uchun ham, turli molekulalarni solishtirish uchun ham.

Manbalar

Afanasev A. V., Belova Ye. V., German K. E., Novikov A. P. Nomenklatura, elektronnoe stroenie organicheskix soedineniy i novie podxodi k otsenke ix reaksionnoy sposobnosti. — M.: Izdatelskiy dom „Granitsa“, 2022. — S. 87-88. — 110 s. — ISBN 978-5-9933-0408-3.
V. Elliot, D. Elliot; [Per. s angl.: O. V. Dobrininoy i dr.] Bioximiya i molekulyarnaya biologiya : Ucheb. posobie dlya studentov meditsinskix i farmatsevticheskix spesialnostey meditsinskix vuzov, a takje dlya internov, ordinatorov i vrachey sistemi poslediplomogo obrazovaniya. — M.: Nauka-Interperiodika, 2002. — 444 s. — ISBN 5-7846-0036-2.
Afanasev A.V, Belova Ye. V., German K. E., Novikov A. P. Nomenklatura, elektronnoe stroenie organicheskix soedineniy i novie podxodi k otsenke ix reaksionnoy sposobnosti.. — M.: Izdatelskiy dom „Granitsa“, 2022. — S. 89-109. — 110 s. — ISBN 978-5-9933-0408-3.
Novikov A. P. Teoreticheskie aspekti analiza poverxnosti Xirshfelda dlya vizualizatsii i kolichestvennogo analiza molekulyarnix kristallov // RYeTROANALIZ I GYeNYeZIS PODXODOV K RYeShYeNIYu PROBLYeM FIZIChYeSKOY XIMII, RADIOXIMII I ELYeKTROXIMII V RABOTYe NAUChNO-OBRAZOVATYeLNIX TsYeNTROV : Sbornik. — 2021. — 15 iyulya. — S. 744-762. — ISSN 978-5-9933-0346-8.
Fabio L. Leite, Carolina C. Bueno, Alessandra L. Da Róz, Ervino C. Ziemath, Osvaldo N. Oliveira. Theoretical Models for Surface Forces and Adhesion and Their Measurement Using Atomic Force Microscopy (angl.) // International Journal of Molecular Sciences. — 2012-10. — Vol. 13, iss. 10. — P. 12773-12856. — ISSN 1422-0067. — doi:10.3390/ijms131012773.
Alexey A. Artemjev, Anton P. Novikov, Gleb M. Burkin, Alexander A. Sapronov, Alexey S. Kubasov, Valentine G. Nenajdenko, Victor N. Khrustalev, Alexander V. Borisov, Anatoly A. Kirichuk, Andreii S. Kritchenkov, Rosa M. Gomila, Antonio Frontera, Alexander G. Tskhovrebov. Towards Anion Recognition and Precipitation with Water-Soluble 1,2,4-Selenodiazolium Salts: Combined Structural and Theoretical Study (angl.) // International Journal of Molecular Sciences. — 2022-01. — Vol. 23, iss. 12. — P. 6372. — ISSN 1422-0067. — doi:10.3390/ijms23126372.