Как взаимодействуют между собой молекулы любого вещества?

Коротко: молекулы «чувствуют» друг друга в основном за счёт электростатики (заряды и диполи) и квантовой природы электронов (отталкивание при сильном сближении). Баланс притяжения и отталкивания задаёт расстояние равновесия и все макросвойства вещества — от температуры кипения до вязкости. Ниже по порядку, без формализма, но по сути.

1. Источник сил — электрические заряды
   У любой молекулы есть распределение электронов и ядер. Это создаёт электрическое поле, которое и «включает» взаимодействие с соседями. Почти все межмолекулярные силы — частные случаи электростатических.

2. Почему есть притяжение и отталкивание
   • Притяжение: противоположные частичные заряды притягиваются; даже неполярные молекулы на мгновения поляризуются, и эти флуктуации тоже дают притяжение.
   • Отталкивание: при сильном сближении начинают перекрываться электронные облака. По принципу Паули электроны не могут сидеть в одинаковых состояниях — возникает резкое квантовое отталкивание. Именно оно не даёт молекулам «провалиться» друг в друга.

3. Основные типы межмолекулярных взаимодействий (от слабых к более сильным)
   • Дисперсионные (Лондона): возникают из-за мгновенных флуктуаций электронных облаков. Есть у всех — от гелия до масел. Сила растёт с размером/поляризуемостью молекулы; поэтому большие неполярные молекулы лучше «липнут» друг к другу и кипят при более высоких температурах.
   • Диполь–диполь (Киссума): между постоянными диполями полярных молекул. Зависит от ориентации; в газе усредняется, в жидкости даёт заметный вклад.
   • Диполь–индуцированный диполь (Дебая): полярная молекула поляризует неполярную соседку.
   • Водородная связь: частный, но очень важный случай сильного дипольного взаимодействия, когда H связан с сильно электроотрицательным атомом (F, O, N) и «прилипает» к паре электронов на другом таком атоме. Благодаря этому вода аномальна, а ДНК держится в спирали.
   • Ион–диполь и ион–индуцированный диполь: важны при растворении солей в полярных растворителях (например, Na⁺ с молекулами воды).
   • π–π-стекинг и катион–π: характерны для ароматических систем (бензольные кольца), заметны в биомолекулах и материалах.
   (Кристаллические «ионные» или «металлические» связи — это уже между частицами, которые нельзя честно назвать отдельными молекулами; но их природа тоже электростатическая/квантовая.)

Ориентировочные «силы» (энергии взаимодействия на пару молекул): дисперсия/дипольные — доли-несколько кДж/моль, водородные связи — ~10–40 кДж/моль, ион–диполь — десятки кДж/моль. Для сравнения: ковалентная связь внутри молекулы — сотни кДж/моль; это уже химия, а не просто «прилипание».

4. Как это выглядит в разных агрегатных состояниях
   • Газ: молекулы далеко, взаимодействуют кратко при столкновениях. Если слабое — газ ведёт себя «идеально».
   • Жидкость: плотная упаковка, короткодействующие силы создают сеть ближнего порядка; молекулы постоянно пересобирают окружение. Отсюда вязкость, поверхностное натяжение.
   • Твёрдое: молекулы зафиксированы около позиций и лишь колеблются. Если их держат именно межмолекулярные силы (лед, сухой лёд, органические кристаллы), то кристалл относительно «мягкий» и плавится не так уж высоко. Если же связи межатомные (ионные/ковалентные/металлические), твёрдое — гораздо более прочное.

5. Почему температура и давление так важны
   • Температура — это кинетическая энергия. Выше T — легче порвать слабые «мостики», ниже — молекулы дольше сидят в «ямках» потенциала и сильнее структурируются (вплоть до кристаллизации).
   • Давление подталкивает молекулы ближе, усиливая и притяжение (пока далеко), и резкое отталкивание (когда слишком близко). Поэтому свойства при высоких давлениях сильно меняются.

6. «Закон краткости действия»
   Межмолекулярные силы быстро спадают с расстоянием: заметны лишь на нанометровых и меньших шкалах. Типичная картинка — потенциал наподобие Леннард-Джонса: мягкое притяжение на расстоянии и «стенка» отталкивания вблизи. Минимум этой кривой задаёт равновесное межмолекулярное расстояние.

7. Практические следствия
   • Чем сильнее суммарные межмолекулярные силы, тем выше температуры плавления/кипения и тем больше вязкость.
   • Полярное с полярным смешивается лучше (правило «подобное растворяется в подобном»): растворитель должен компенсировать взаимодействия внутри каждой фазы новыми, не хуже прежних.
   • У больших, легко поляризуемых молекул сильнее дисперсия — отсюда тяжёлые газы сжимаются легче, а длинноцепочечные углеводороды — жидкости/твердые.

Если собрать всё в одну фразу: молекулы взаимодействуют за счёт краткодействующих электростатических сил притяжения (дипольные, дисперсионные, водородные и др.) и резкого квантового отталкивания при сближении; итоговый баланс этих эффектов и определяет, как вещество ведёт себя в газе, жидкости и твёрдом состоянии.