Оглавление 6
Список таблиц 15
Предисловие ко второму изданию 17
Предисловие к первому изданию 18
Символы и единицы измерения 19
Список обозначений 22
Часть I. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ АТОМАМИ И МОЛЕКУЛАМИ 26
Глава 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ РАКУРС 28
1.1 Четыре типа взаимодействий 28
1.2 Древнегреческие и средневековые представления о межмолекулярных взаимодействиях 28
1.3 Период становления науки. Сопоставление межмолекулярных сил с силой тяжести 30
1.4 Первые успешные феноменологические теории 32
1.5 Современный взгляд на происхождение межмолекулярных сил 35
1.6 Последние тенденции 36
Вопросы и задачи 37
Глава 2. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИЛ 40
2.1 Энергии взаимодействия молекул в свободном пространстве и в средах 40
2.2 Распределение Больцмана 43
2.3 Распределение молекул и частиц в равновесной системе 44
2.4 Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса 46
2.5 Тепловая энергия кТ как мера силы взаимодействия 48
2.6 Классификация взаимодействий 51
Вопросы и задачи 53
Глава 3. СИЛЬНЫЕ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: КОВАЛЕНТНЫЕ И КУЛОНОВСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 54
3.1 Ковалентные силы (силы химической связи) 54
3.2 Физические связи 55
3.3 Кулоновские силы, или взаимодействия зарядов 55
3.4 Ионные кристаллы 58
3.5 Отсчетные состояния 59
3.6 Радиус действия кулоновских сил 59
3.7 Энергия иона по Борну 60
3.8 Растворимость ионов в различных растворителях 61
3.9 Специфические взаимодействия ион-растворитель 65
3.10 Континуальный подход 66
3.11 Молекулярный подход: компьютерное моделирование 67
Вопросы и задачи 69
Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С УЧАСТИЕМ ПОЛЯРНЫХ МОЛЕКУЛ 71
4.1 Что такое полярные молекулы? 71
4.2 Собственная энергия диполя 73
4.3 Ион-дипольные взаимодействия 73
4.4 Ионы в полярных растворителях 77
4.5 Сильные ион-дипольные взаимодействия. Гидратированные ионы 78
4.6 Сольватационные, гидратационные, структурные силы 80
4.7 Диполь-дипольные взаимодействия 81
4.8 Вращающийся диполь и усредненный по углу потенциал 83
4.9 Энтропийные эффекты 86
Вопросы и задачи 87
Глава 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, ВЫЗВАННЫЕ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ МОЛЕКУЛ 89
5.1 Поляризуемость атомов и молекул 89
5.2 Поляризуемость полярных молекул 91
5.3 Взаимодействия ионов с незаряженными молекулами 92
5.4 Взаимодействие ионов с молекулами растворителя и энергия Борна 95
5.5 Взаимодействие диполя с индуцированным диполем 96
5.6 Общий подход к поляризационным взаимодействиям 97
5.7 Эффекты растворителя и «избыточная поляризуемость» 99
Вопросы и задачи 102
Глава 6. ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 104
6.1 Природа дисперсионных взаимодействий между нейтральными молекулами. Формула Лондона 104
6.2 Величина дисперсионных сил: ван-дер-ваальсовы жидкости и твердые тела 106
6.3 Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса 110
6.4 Фазовые переходы газ-жидкость и жидкость-твердое тело 112
6.5 Силы Ван-дер-Ваальса между полярными молекулами 112
6.6 Общая теория ван-дер-ваальсовых взаимодействий между молекулами 117
6.7 Силы Ван-дер-Ваальса в конденсированных средах 120
6.8 Собственная дисперсионная энергия молекулы в среде 124
6.9 Еще о силах Ван-дер-Ваальса: анизотропия, неаддитивность и эффекты запаздывания 125
Вопросы и задачи 127
Глава 7. СИЛЫ ОТТАЛКИВАНИЯ, ПОЛНЫЕ ПАРНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ ВЗАВИМОДЕЙСТВИЯ И СТРУКТУРА ЖИДКОСТЕЙ 129
7.1 Размеры атомов, ионов и молекул 129
7.2 Потенциалы отталкивания 132
7.3 Полные парные потенциалы взаимодействия 132
7.4 Силы отталкивания в твердых веществах молекулярного строения 134
7.5 Силы отталкивания в жидкостях. Структура жидкостей 136
7.6 Влияние структуры жидкости на межмолекулярные взаимодействия 139
Вопросы и задачи 140
Глава 8. ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ, ГИДРОФОБНЫЕ И ГИДРОФИЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАК ОСОБЫЕ ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ 142
8.1 Свойства воды 142
8.2 Водородная связь 143
8.3 Модели воды и ассоциированных жидкостей 145
8.4 Сравнение силы различных типов взаимодействий 147
8.5 Гидрофобный эффект 148
8.6 Гидрофобные взаимодействия 151
8.7 Гидрофильность 153
Вопросы и задачи 154
Часть II. СИЛЫ МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ И ПОВЕРХНОСТЯМИ 160
Глава 9. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ИДЕИ О СИЛАХ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ И МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ 160
9.1 Факторы, благоприятствующие ассоциации схожих молекул или частиц в средах 160
9.2 Две одинаковые поверхности сближаются в среде: поверхностная энергия и межфазная энергия 164
9.3 Факторы, способствующие ассоциации разнородных молекул, частиц или поверхностей в третьих средах 165
9.4 Взаимодействия частиц с поверхностями 167
9.5 Пленки, адсорбированные на поверхности: смачивание и несмачивание 169
Вопросы и задачи 171
Глава 10. РАЗЛИЧИЯ В СИЛАХ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ, МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ И МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЯМИ 172
10.1 Короткодействующие и дальнодействующие проявления сил 172
10.2 Потенциалы взаимодействия между макроскопическими телами 175
10.3 Эффективная площадь взаимодействия двух сфер: приближение Лангбайна 178
10.4 Сравнение взаимодействий больших тел с взаимодействиями между молекулами 179
10.5 Энергии взаимодействия и силы взаимодействия: приближение Дерягина 180
10.6 Экспериментальные методы измерения межмолекулярных и поверхностных сил 184
10.7 Непосредственные измерения поверхностных и межмолекулярных сил 188
Вопросы и задачи 194
Глава 11. ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА ФАЗ 196
11.1 Взаимодействия сил для тел различной геометрии. Константа Гамакера 196
11.2 Силы Ван-дер-Ваальса: взаимодействие тел в вакууме или в воздухе 198
11.3 Силы Ван-дер-Ваальса: теория Лифшица 199
11.4 Теория Лифшица и расчет констант Гамакера 203
11.5 Теория Лифшица в применении к взаимодействиям в конденсированных средах 207
11.6 Ван-дер-ваальсовы силы отталкивания. Расклинивающее давление и смачивающие пленки 210
11.7 Эффекты запаздывания 215
11.8 Экранирование сил Ван-дер-Ваальса в растворах электролитов 217
11.9 Правила сложения 218
11.10 Поверхностная энергия и энергия адгезии 220
11.11 Поверхностная энергия металлов 223
11.12 Силы между поверхностями с адсорбированными слоями 225
11.13 Силы Ван-дер-Ваальса в экспериментах 226
Вопросы и задачи 228
Глава 12. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЯМИ В ЖИДКОСТИ 232
12.1 Заряженные поверхности в жидкости и двойной электрический слой 232
12.2 Заряженные поверхности в воде (без добавленного электролита) 234
12.3 Уравнение Пуассона-Больцмана (ПБ) 234
12.4 Плотность заряда, электрическое поле и концентрация противоионов на поверхности 235
12.5 Распределение концентрации противоионов в зависимости от расстояния от поверхности 237
12.6 Природа распределения противоионов, электрического поля, поверхностного потенциала и давления 239
12.7 Давление между двумя заряженными поверхностями в воде. Контактная теорема 241
12.8 Пределы применимости уравнения Пуассона-Больцмана 245
12.9 Толстые смачивающие пленки 247
12.10 Предел малых расстояний: перестройка заряда 248
12.11 Заряженные поверхности в растворе электролита 249
12.12 Уравнение Грэма 250
12.13 Заряд и потенциал поверхности в присутствии одновалентных ионов 252
12.14 Влияние двухвалентных ионов 254
12.15 Дебаевский радиус экранирования 255
12.16 Изменение потенциала и концентрации ионов по мере удаления от заряженной поверхности 256
12.17 Взаимодействие между заряженными поверхностями в электролите 258
12.18 Совместное действие сил Ван-дер-Ваальса и двойного электрического слоя: теория ДЛФО 263
12.19 Экспериментальные измерения сил двойного электрического слоя и ДЛФО 267
12.20 Влияние дискретности поверхностных зарадов и диполей 270
Вопросы и задачи 273
Глава 13. СТРУКТУРНЫЕ, СОЛЬВАТАЦИОННЫЕ И ГИДРАТАЦИОННЫЕ СИЛЫ 276
13.1 «Не-ДЛФО» силы 276
13.2 Молекулярное упорядочение на поверхностях, границах раздела фаз и в тонких пленках 277
13.3 Природа осциллирующей силы, основного типа сольватационных сил 281
13.4 Измерения и свойства сольватационных сил: осциллирующие силы в неводных жидкостях 285
13.5 Сольватационные силы в водных системах: гидратационные силы отталкивания 291
13.6 Сольватационные силы в водных системах: «гидрофобное» притяжение 298
Вопросы и задачи 302
Глава 14. СТЕРИЧЕСКИЕ И ФЛУКТУАЦИОННЫЕ СИЛЫ 304
14.1 Диффузные границы раздела. 304
14.2 Полимеры на поверхности 305
14.3 Силы стерического отталкивания
между поверхностями, покрытыми полимером 308
14.4 Силы в полимерных жидкостях (полимерных расплавах) 314
14.5 Силы притяжения: «межсегментные», «мостиковые» и силы «обеднения» 315
14.6 Неравновесные аспекты полимерных взаимодействий 319
14.7 Силы тепловых флуктуации, действующие между жидкоподобными поверхностями 320
14.8 Силы взаимодействия выступов 320
14.9 Ундуляция и перистальтические силы 322
Вопросы и задачи 325
Глава 15. АДГЕЗИЯ 327
15.1 Поверхностная энергия на границах раздела фаз 327
15.2 Поверхностная энергия малых кластеров и сильно искривленных поверхностей 332
15.3 Краевые углы и смачивающие пленки 333
15.4 Гистерезис краевого угла и гистерезис адгезии 337
15.5 Адгезия между твердыми частицами. Теория ДКР и теория Герца 340
15.6 Адгезия и капиллярная конденсация 344
Вопросы и задачи 348
Часть III. ЖИДКОПОДОБНЫЕ СТРУКТУРЫ И ЯВЛЕНИЯ САМОСБОРКИ. МИЦЕЛЛЫ, БИСЛОИ И КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ 356
Глава 16. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ САМОСБОРКИ 356
16.1 Введение 356
16.2 Фундаментальные термодинамические уравнения самосборки 360
16.3 Условия образования агрегатов 363
16.4 Изменение потенциала в зависимости от N для простых структур различной геометрии: цилиндры, диски и сферы 364
16.5 Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) 366
16.6 Агрегаты бесконечных размеров (фазовое расслоение). Агрегаты конечного размера (мицеллообразование) 367
16.7 Распределение структур, образующихся при самосборке, по размерам 372
16.8 Сложные амфифильные структуры 374
16.9 Взаимодействие между агрегатами. Мезофазы и мультислои 376
16.10 Заключение 379
Вопросы и задачи 379
Глава 17. АГРЕГАЦИЯ АМФИФИЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ. МИЦЕЛЛЫ, БИСЛОИ, ВЕЗИКУЛЫ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ 380
17.1 Введение. Амфифильные структуры: равновесный подход 380
17.2 Оптимальная площадь полярных групп 381
17.3 Соображения геометрии и упаковки 384
17.4 Сферические мицеллы 385
17.5 Несферические и цилиндрические мицеллы 388
17.6 Бислои 389
17.7 Везикулы 393
17.8 Факторы взаимопревращения структур 395
17.9 Модуль изгиба бислоев и мембран 396
17.10 Биологические мембраны 400
17.11 Мембранные липиды 401
17.12 Мембранные белки и структура мембран 403
Вопросы и задачи 406
Глава 18. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ЛИПИДНЫМИ БИСЛОЯМИ И БИОЛОГИЧЕСКИМИ МЕМБРАНАМИ 409
18.1 Введение 409
18.2 Ван-дер-ваальсовы силы притяжения 409
18.3 Электростатические силы (двойной электрический слой) 410
18.4 Гидратационные силы 412
18.5 Ограничения гидратационной модели 416
18.6 Стерические взаимодействия 419
18.7 Гидрофобные взаимодействия 422
18.8 Специфические взаимодействия 424
18.9 Взаимозависимость меж- и внутримембранных сил 426
18.10 Адгезия 428
18.11 Плавление 430
Вопросы и задачи 433
Бибилиография 436
Предметный указатель 452