ЛОНДОНСКИЕ СИЛЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2025

Силы Лондона, силы дисперсии Лондона или индуцированные дипольные дипольные взаимодействия являются самым слабым типом межмолекулярных взаимодействий. Свое название он получил благодаря вкладу физика Фрица Лондона и его исследований в области квантовой физики.

Силы Лондона объясняют, как взаимодействуют молекулы, структуры и атомы которых не позволяют ему сформировать постоянный диполь; то есть в основном это относится к неполярным молекулам или изолированным атомам благородных газов. В отличие от других сил Ван-дер-Ваальса, эта требует чрезвычайно коротких расстояний.

Источник: Хэдли Пол Гарланд через Flickr

Хорошую физическую аналогию сил Лондона можно найти в работе системы застежки на липучке (изображение выше). Прижимая одну сторону вышитой ткани крючками, а другую - волокнами, создается сила притяжения, пропорциональная площади ткани.

После того, как обе стороны запечатаны, необходимо приложить силу, чтобы противодействовать их взаимодействиям (создаваемым нашими пальцами), чтобы разделить их. То же самое и с молекулами: чем они больше или больше, тем сильнее их межмолекулярное взаимодействие на очень коротких расстояниях.

Однако не всегда удается подвести эти молекулы достаточно близко, чтобы их взаимодействия были заметны.

Когда это так, они требуют очень низких температур или очень высоких давлений; как таковой случай газов. Точно так же эти типы взаимодействий могут присутствовать в жидких веществах (таких как н-гексан) и твердых веществах (таких как йод).

характеристики

Источник: Габриэль Боливар

Какими характеристиками должна обладать молекула, чтобы взаимодействовать с помощью лондонских сил? Ответ заключается в том, что это может сделать кто угодно, но когда есть постоянный дипольный момент, диполь-дипольные взаимодействия преобладают в большей степени, чем рассеивающие, и вносят очень небольшой вклад в физическую природу веществ.

В структурах, где нет сильно электроотрицательных атомов или в которых распределение электростатического заряда однородно, нет экстремума или области, которые можно считать богатыми (δ-) или бедными (δ +) электронами.

В этих случаях должны действовать другие типы сил, иначе указанные соединения могли бы существовать только в газовой фазе, независимо от действующих на них условий давления или температуры.

Равномерное распределение нагрузки

Два изолированных атома, таких как неон или аргон, имеют однородное распределение заряда. Это можно увидеть на верхнем изображении A. Белые круги в центре обозначают ядра атомов или молекулярный скелет молекул. Это распределение заряда можно рассматривать как облако зеленых электронов.

Почему благородные газы соответствуют этой однородности? Поскольку они имеют полностью полную электронную оболочку, поэтому их электроны теоретически должны чувствовать притягивающий заряд ядра одинаково на всех орбиталях.

С другой стороны, для других газов, таких как атомарный кислород (O), его слой является неполным (что наблюдается в его электронной конфигурации) и вынуждает его образовывать двухатомную молекулу O _2, чтобы компенсировать этот недостаток.

Зеленые круги в A также могут быть молекулами, маленькими или большими. Его электронное облако вращается вокруг всех составляющих его атомов, особенно наиболее электроотрицательных. Вокруг этих атомов облако станет более концентрированным и отрицательным, в то время как у других атомов будет недостаток электроники.

Однако это облако не статично, а динамично, поэтому в какой-то момент сформируются короткие области δ- и δ +, и произойдет явление, называемое поляризацией.

поляризуемость

В A зеленое облако указывает на однородное распределение отрицательного заряда. Однако положительная сила притяжения, оказываемая ядром, может колебаться на электронах. Это вызывает деформацию облака, создавая области δ- (синий) и δ + (желтый).

Этот внезапный дипольный момент в атоме или молекуле может исказить соседнее электронное облако; другими словами, он наводит внезапный диполь на своего соседа (B, верхнее изображение).

Это связано с тем, что δ-область возмущает соседнее облако, его электроны ощущают электростатическое отталкивание и ориентируются на противоположный полюс, образуя δ +.

Обратите внимание, как положительные полюса совпадают с отрицательными, как это делают молекулы с постоянным дипольным моментом. Чем больше объем электронного облака, тем труднее ядру будет поддерживать его однородность в пространстве; и, кроме того, чем больше его деформация, как видно на С.

Следовательно, атомы и небольшие молекулы с меньшей вероятностью будут поляризованы какой-либо частицей в их окружении. Примером для этой ситуации служит небольшая молекула водорода H ₂ .

Для того, чтобы он конденсировался или даже больше кристаллизовался, ему необходимо непомерное давление, чтобы заставить его молекулы физически взаимодействовать.

Оно обратно пропорционально расстоянию

Хотя образуются мгновенные диполи, которые побуждают окружающих их людей, их недостаточно, чтобы удерживать атомы или молекулы вместе.

В B есть расстояние d, которое разделяет два облака и их два ядра. Чтобы оба диполя оставались в течение рассматриваемого времени, это расстояние d должно быть очень маленьким.

Это условие, важная характеристика лондонских сил (вспомните застежку-липучку), должно быть выполнено, чтобы оно оказало заметное влияние на физические свойства материи.

Как только d станет маленьким, ядро ​​слева в B начнет притягивать синюю δ-область соседнего атома или молекулы. Это еще больше деформирует облако, как показано на рисунке C (ядро больше не в центре, а справа). Затем наступает момент, когда оба облака соприкасаются и «подпрыгивают», но достаточно медленно, чтобы удерживать их вместе некоторое время.

Следовательно, силы Лондона обратно пропорциональны расстоянию d. Фактически, коэффициент равен d ⁷ , поэтому небольшое изменение расстояния между двумя атомами или молекулами ослабит или усилит лондонское рассеяние.

Он прямо пропорционален молекулярной массе.

Как увеличить размер облаков, чтобы они легче поляризовались? Добавление электронов, а для этого в ядре должно быть больше протонов и нейтронов, что увеличивает атомную массу; или добавление атомов к основной цепи молекулы, что, в свою очередь, увеличит ее молекулярную массу

Таким образом, ядра или молекулярный скелет с меньшей вероятностью будут постоянно поддерживать однородность электронного облака. Следовательно, чем больше зеленые круги, рассматриваемые в A, B и C, тем более поляризуемыми они будут и тем сильнее будет их взаимодействие лондонскими силами.

Этот эффект явно наблюдается между B и C, и мог бы быть даже больше, если бы круги были большего диаметра. Это рассуждение является ключевым для объяснения физических свойств многих соединений на основе их молекулярных масс.

Примеры лондонских сил

Источник: Pxhere

В природе

В повседневной жизни существует бесчисленное множество примеров рассеивающих сил Лондона без необходимости рисковать в микроскопическом мире.

Один из наиболее распространенных и удивительных примеров - ноги рептилий, известных как гекконы (верхнее изображение), и многих насекомых (также у Человека-паука).

На ногах у них есть подушечки, из которых торчат тысячи мелких ниточек. На изображении вы можете увидеть геккона, позирующего на склоне скалы. Для этого он использует межмолекулярные силы между камнем и нитями его ног.

Каждая из этих нитей слабо взаимодействует с поверхностью, по которой карабкается маленькая рептилия, но, поскольку их тысячи, они создают силу, пропорциональную площади ее ног, достаточно сильную, чтобы оставаться прикрепленными и могли взбираться. Гекконы также способны лазить по гладким и идеальным поверхностям, таким как стекло.

алканов

Алканы - это насыщенные углеводороды, которые также взаимодействуют посредством лондонских сил. Их молекулярные структуры просто состоят из атомов углерода и водорода, соединенных одинарными связями. Поскольку разница в электроотрицательностях между C и H очень мала, они являются неполярными соединениями.

Таким образом, метан, CH ₄ , самый мелкий углеводород из всех, кипит при -161,7 ° C. По мере добавления C и H к скелету получаются другие алканы с более высокими молекулярными массами.

Таким образом образуются этан (-88,6 ° C), бутан (-0,5 ° C) и октан (125,7 ° C). Обратите внимание, как их точки кипения увеличиваются по мере того, как алканы становятся тяжелее.

Это связано с тем, что их электронные облака более поляризуемы, а их структуры имеют большую площадь поверхности, что увеличивает контакт между их молекулами.

Октан, хотя и неполярное соединение, имеет более высокую температуру кипения, чем вода.

Галогены и газы

Лондонские силы также присутствуют во многих газообразных веществах. Например, молекулы N ₂ , H ₂ , CO ₂ , F ₂ , Cl ₂ и всех благородных газов взаимодействуют посредством этих сил, поскольку они представляют собой однородное электростатическое распределение, которое может претерпевать мгновенные диполи и приводить к поляризации.

Благородные газы: He (гелий), Ne (неон), Ar (аргон), Kr (криптон), Xe (ксенон) и Rn (радон). Слева направо их точки кипения увеличиваются с увеличением атомных масс: -269, -246, -186, -152, -108 и -62 ºC.

Галогены также взаимодействуют через эти силы. Фтор - это газ при комнатной температуре, как и хлор. Бром с более высокой атомной массой обнаруживается в нормальных условиях в виде красноватой жидкости, а йод, наконец, образует пурпурное твердое вещество, которое быстро сублимируется, поскольку оно тяжелее других галогенов.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 452-455.
2. Анхелес Мендес. (22 мая 2012 г.). Силы рассеивания (из Лондона). Получено с: quimica.laguia2000.com
3. Лондонские силы рассеяния. Получено с: chem.purdue.edu
4. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (22 июня 2018 г.). 3 типа межмолекулярных сил. Получено с: thinkco.com
5. Райан Илаган и Гэри Л. Бертран. Лондонские дисперсионные взаимодействия. Взято с сайта chem.libretexts.org
6. ChemPages Netorials. Лондонские силы. Получено с: chem.wisc.edu
7. Kamereon. (22 мая 2013 г.). Гекконы: гекконы и силы Ван дер Ваальса. Получено с: almabiologica.com