Transcript Файл в формате PPT (5,8 МB)

Лекционный курс
«Физические основы
нанотехнологий и их
применение в
нефтегазовой отрасли»
Часть 1 ДВА ВИДА НАНОТЕХНОЛОГИЙ.
НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.
Тема НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ (СМХ).
НЕКОВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
НЕОГРАНИЧЕННЫЕ
ВОЗМОЖНОСТИ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
МЕХАНОСИНТЕЗА
???????
Из лекции академика Ю.Д. Третьякова для Научно-образовательного Центра
по нанотехнологиям МГУ (http://nano.msu.ru)
Из лекции академика Ю.Д. Третьякова для Научно-образовательного Центра
по нанотехнологиям МГУ (http://nano.msu.ru)
НАНОТЕХНОЛОГИИ -2
Супрамолекулярная
( надмолекулярная )
«СМХ»
Химия
Химия нековалентных
взаимодействий
САМООРГАНИЗАЦИЯ молекул
«ОБЫЧНАЯ»
ХИМИЯ
«ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ
«Сильные» химические связи
Ковалентные взаимодействия:
Возникают, когда
происходит обмен
(обобществление)
валентных электронов
атомов
Имеют энергии в
несколько сотен
кДж/моль
Ковалентные взаимодействия
в молекуле метана
«ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ
Энергии ковалентных связей
C-O связь 340 кДж / моль
1.43Å
C-C связь 360 кДж / моль
1.53Å
C-H связь 430 кДж / моль
1.11Å
C=C связь 600 кДж / моль
1.33Å
C=O связь 690 кДж / моль
1.21Å
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ
ХИМИЯ
( «СМХ» )
«СМХ»
«Слабые»
химические связи
Основные нековалентные взаимодействия:





Водородные связи
Электростатические (ионные и ионно-дипольные)
связи
Гидрофобные “связи”
Взаимодействия ван-дер-Ваальса
 - взаимодействия
Энергии нековалентных взаимодействий
 гидрофобные
<40 кДж / моль
 электростатические
~20 кДж / моль
 водородные связи
12-30 кДж / моль
 ван-дер-Ваальс
0.4-4 кДж / моль
 катион –
5-80 кДж / моль
 - стэкинг
0-50 кДж / моль
( Ковалентные связи : 300 – 700 кДж / моль )
1. Водородные связи




Имеют лишь 5% энергии углеродуглеродной связи (20 и 350 кДж/моль)
Имеют направленный характер
Связаны с наличием дипольных моментов
Ответственны за необычные свойства воды –
как вещества, так и растворителя
Дипольный
момент воды
Структура
жидкой воды
с водородными связями
Распространенные
водородные связи
Белки
Водородная связь играет важнейшую роль
в живой природе
Водородные связи
в гидратах
природных газов
2. Электростатические взаимодействия.
Ионные связи.


Имеют 5-10% энергии углеродно-углеродной
связи (20-40 и 350 кДж/моль)
Ионно-стабилизированные соединения (как
NaCl) легко растворяются в растворителях с
высокой диэлектрической проницаемостью
(как вода)
Соли растворяются в
“гидратных оболочках”
воды
3. Гидрофобные (сольвофобные)
взаимодействия



Имеют около 2% энергии углеродно-углеродной
связи (8 и 350 кДж/моль)
Вокруг гидрофобных групп происходит
упорядочение молекул воды
«Маслянистые» гидрофобные группы собираются
вместе, чтобы ослабить эффект уменьшения
энтропии воды
Гидрофобные (сольвофобные)
взаимодействия
Гидрофильная полярная
«головка»
молекулы ПАВ
Неупорядоченная структура
молекул Н2О в объеме
( с высокой энтропией )
Гидрофобный «хвост»
молекулы ПАВ,
вокруг которого
формируется
упорядоченная
оболочка молекул воды
( с пониженной энтропией )
Гидрофобные (сольвофобные)
взаимодействия
Увеличение энтропии системы
при сближении молекул растворенного вещества
4. Взаимодействия ван-дер-Ваальса



Имеют около 1% энергии углеродноуглеродной связи (4 и 350 кДж/моль)
Притяжение атомов связано с наличием
индуцированных диполей
Отталкивание возникает при перекрывании
электронных оболочек
Ян Дидерик Ван-Дер-Ваальс (Johannes Diderik van der Waals)
(1837 – 1923)
Нобелевская премия по физике за 1910 г.
Энергия взаимодействия
Взаимодействия ван-дер-Ваальса
+
Радиус
Ван-дер-Ваальса
Перекрывание оболочек
-
Суммарная
энергия
rv
Межатомное притяжение
Расстояние
между
центрами
атомов
Индуцированные диполи в неполярных
молекулах
( дисперсионное взаимодействие )
Флуктуация электронной плотности в
одной молекуле (образование
мгновенного диполя) вызывает
соответствующее смещение зарядов
и в другой молекуле (образование
мгновенного индуцированного
диполя ). Следствие - взаимное
притяжение молекул.
Взаимодействия ван-дер-Ваальса
Энергия притяжения за
счет дисперсионного
взаимодействия
(модель Лондона) :
Энергия отталкивания
электронных облаков:
VL  -
VR 
3I1 2
I … энергия ионизации
4r 6
1, 2 поляризуемости атомов
k
rm
Если r мало : m = 5 - 12
С учетом обоих эффектов – потенциал
ван дер Ваальса :
Для m = 12 – известный потенциал
Леннарда – Джонса :
VvdW
VvdW
A B
- 6  m
r
r
A B
 - 6  12
r
r
Геккону помогают взбираться на вертикальную стеклянную
поверхность Ван-дер-ваальсовы силы, возникающие между
щетинками на его лапах и стеклянной поверхностью
5-А. Катион –  взаимодействия
Энергии : 5 – 80 кДж/моль. Взаимодействия катионов
щелочных и щелочноземельных металлов с двойными
связями C=C . Играют важную роль в биологических
системах.
5-Б. - стэкинг
Энергии : < 50 кДж/моль. Слабые электростатические
взаимодействия ароматических колец. Два типа структур «плоскость-к-плоскости» и «край-к-плоскости» :
-стэкинг «плоскость-кплоскости» определяет
смазочную способность
графита. Такой же стэкинг стабилизирует
двойную спираль ДНК.
- стэкинг в органических
кристаллах
тринитрофлуорена
- стэкинг в молекулах
ДНК
- стэкинг
при добыче нефти
КОНЕЦ
ЛЕКЦИИ