Siły międzycząsteczkowe, których działaniu przypisujemy odstępstwa gazów rzeczywistych od praw gazów doskonałych, są siłami słabymi w porównaniu z siłami powodującymi wytworzenie wiązań chemicznych wewnątrz cząsteczki. Energia oddziaływań międzycząsteczkowych jest rzędu \( 1-10 \ kcal/mol \), podczas gdy np. energia wiązań kowalencyjnych sięga \( 100 \ kcal/mol \). Występowanie oddziaływań międzycząsteczkowych jest jednak bardzo powszechne, odgrywają one dominującą rolę w procesie skraplania większości gazów. Cechą charakterystyczna tych sił jest ich bardzo szybki zanik następujący w miarę jak rośnie odległość pomiędzy oddziałującymi na siebie cząsteczkami.
Kiedy po raz pierwszy Van der Waals zajął się siłami międzycząsteczkowymi, natura ich była całkowicie nieznana. Według obecnych poglądów rozpatrując zagadnienie sił międzycząsteczkowych należy uwzględnić co najmniej trzy różne rodzaje oddziaływań.
Po pierwsze, w przypadku gdy mamy do czynienia z substancjami polarnymi, wchodzi w grę wzajemne przyciąganie się różnoimiennych biegunów dipoli sąsiadujących ze sobą cząsteczek. Działania te będą oczywiście zmierzać do ustawienia cząsteczek w stosunku do siebie w określony sposób. Tego rodzaju orientację dipoli przedstawia schematycznie Rys.1a. Energię opisanych oddziaływań (energię uwalnianą wskutek wzajemnego przyciągania się dipoli) nazywamy energią orientacji.
Drugi możliwy rodzaj oddziaływania międzycząsteczkowego to oddziaływanie pomiędzy cząsteczką obdarzoną trwałym momentem dipolowym a cząsteczką czy atomem, który nie wykazuje trwałego momentu dipolowego. Obecność dipola trwałego w bliskim sąsiedztwie cząsteczki niepolarnej lub chwilowe fluktuacje chmury elektronowej w cząsteczce niepolarnej mogą skutkować przesunięciem ładunków elektrycznych wewnątrz cząsteczki i w efekcie powstaniem momentu dipolowego wzbudzonego (indukowanego). Energię oddziaływania pomiędzy dipolem trwałym a dipolem indukowanym nazywamy energią indukcji. Schemat takich oddziaływań przedstawiono na Rys. 1b.
Trzeci rodzaj oddziaływań nosi nazwę sił dyspersyjnych. Oddziaływania dyspersyjne pojawiają się zawsze, niezależnie od tego czy cząsteczki o trwałych momentach dipolowych są obecne czy też nie. W bardzo dużym uproszczeniu powstanie efektu dyspersyjnego możemy przedstawić następująco. Jeżeli rozpatrujemy jakiś atom, np. atom helu, to przeciętnie rzecz biorąc chmura elektronowa zachowuje w nim symetrię kulistą, Można jednak oczekiwać, że gdyby się udało w jakiejś chwili zatrzymać obydwa elektrony, rozkład ładunku w przestrzeni nie zawsze okazałby się symetryczny w stosunku do jądra. W takim przypadku atom helu wykazywałby moment dipolowy.
Oczywiście moment taki ma charakter momentu chwilowego. Teoria sił dyspersyjnych przyjmuje jednak, że tego rodzaju chwilowe momenty mogą indukować podobne momenty w sąsiednich atomach. Źródłem sił dyspersyjnych jest właśnie przyciąganie pomiędzy takimi chwilowymi dipolami. Energię oddziaływań pomiędzy dipolami chwilowymi, czyli energię dyspersji, można obliczyć metodami mechaniki kwantowej.
W Tabela 1 zebrano dla kilku substancji wyniki obliczeń energii orientacyjnej, energii indukcyjnej oraz energii dyspersyjnej.
| Cząsteczka | Trwały moment dipolowy, \( D \) | Energia orientacyjna | Energia indukcyjna | Energia dyspersyjna |
| \( \ce{Ar} \) | 0,38 | 0 | 0 | 2,03 |
| \( \ce{HJ} \) | 0,78 | 0,006 | 0,027 | 6,18 |
| \( \ce{HCl} \) | 1,03 | 0,79 | 0,24 | 4,02 |
| \( \ce{NH_{3}} \) | 1,5 | 3,18 | 0,37 | 3,52 |
| \( \ce{CO} \) | 0,12 | 0,0001 | 0,002 | 2,09 |
Zarówno energia orientacyjna, jak i indukcyjna, wzrastają dość wyraźnie ze wzrostem momentu dipolowego, Obydwie przyjmują znikome wartości w przypadku cząsteczki \( \ce{CO} \), wykazującej bardzo mały moment dipolowy. Poza przypadkiem amoniaku, o całości oddziaływań międzycząsteczkowych decyduje jednak energia dyspersyjna.
Moduł został opracowany na podstawie [1] oraz [2].
Bibliografia
1. G. Barrow: Chemia fizyczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 19732. A. Bielański: Chemia ogólna i nieorganiczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1977