- Межмолекулярные электрические взаимодействия
- Взаимодействие между постоянными диполями
- Взаимодействие между постоянным диполем и индуцированным диполем
- Лондонские силы или рассеяние
- Радиостанции Van der Waals
- Силы и энергия электрического взаимодействия между атомами и между молекулами
- Ссылки
Сила Ван-дер-Ваальса - это межмолекулярные силы, электрические по своей природе, которые могут быть притягивающими или отталкивающими. Существует взаимодействие между поверхностями молекул или атомов, по сути отличное от ионных, ковалентных и металлических связей, которые образуются внутри молекул.
Несмотря на свою слабость, эти силы способны притягивать молекулы газа; а также сжиженных и затвердевших газов и всех органических жидкостей и твердых веществ. Йоханнес Ван дер Ваальс (1873 г.) был тем, кто разработал теорию, объясняющую поведение реальных газов.
В так называемом уравнении Ван-дер-Ваальса для реальных газов - (P + an 2 / V 2 ) (V - nb)) = nRT- вводятся две константы: константа b (то есть объем, занимаемый молекулами газ) и "а", которая является эмпирической константой.
Константа «а» корректирует отклонение от ожидаемого поведения идеальных газов при низких температурах, именно там, где выражается сила притяжения между молекулами газа. Способность атома поляризоваться в периодической таблице увеличивается от вершины группы к основанию группы и справа налево за период.
По мере увеличения атомного номера - и, следовательно, количества электронов - те, которые расположены во внешних оболочках, легче перемещаются, образуя полярные элементы.
Межмолекулярные электрические взаимодействия
Взаимодействие между постоянными диполями
Существуют электрически нейтральные молекулы, которые являются постоянными диполями. Это связано с нарушением электронного распределения, которое вызывает пространственное разделение положительных и отрицательных зарядов по направлению к концам молекулы, составляющей диполь (как если бы это был магнит).
Вода состоит из 2 атомов водорода на одном конце молекулы и атома кислорода на другом конце. Кислород имеет большее сродство к электронам, чем водород, и притягивает их.
Это вызывает смещение электронов к кислороду, оставляя его заряженным отрицательно, а водород - положительно заряженным.
Отрицательный заряд молекулы воды может электростатически взаимодействовать с положительным зарядом другой молекулы воды, вызывая электрическое притяжение. Таким образом, этот тип электростатического взаимодействия называется силами Кизома.
Взаимодействие между постоянным диполем и индуцированным диполем
Постоянный диполь демонстрирует так называемый дипольный момент (µ). Величина дипольного момента определяется математическим выражением:
µ = qx
q = электрический заряд.
x = пространственное расстояние между полюсами.
Дипольный момент - это вектор, который по соглашению представляется ориентированным от отрицательного полюса к положительному. Величину µ больно выразить в дебай (3,34 × 10 -30 см.
Постоянный диполь может взаимодействовать с нейтральной молекулой, вызывая изменение ее электронного распределения, что приводит к индуцированному диполю в этой молекуле.
Постоянный диполь и индуцированный диполь могут электрически взаимодействовать, создавая электрическую силу. Этот тип взаимодействия известен как индукция, а силы, действующие на него, называются силами Дебая.
Лондонские силы или рассеяние
Природа этих сил притяжения объясняется квантовой механикой. Лондон предположил, что в одно мгновение в электрически нейтральных молекулах центр отрицательных зарядов электронов и центр положительных зарядов ядер могут не совпадать.
Таким образом, флуктуация электронной плотности позволяет молекулам вести себя как временные диполи.
Это само по себе не является объяснением сил притяжения, но временные диполи могут вызывать правильно выровненную поляризацию соседних молекул, что приводит к возникновению силы притяжения. Силы притяжения, создаваемые электронными колебаниями, называются лондонскими силами или дисперсией.
Силы Ван-дер-Ваальса проявляют анизотропию, поэтому на них влияет ориентация молекул. Однако взаимодействия дисперсионного типа всегда преимущественно привлекательны.
Силы Лондона тем сильнее, чем больше размер молекул или атомов.
В галогенах молекулы F 2 и Cl 2 с низким атомным номером являются газами. Br 2 с наивысшим атомным номером является жидкостью, а I 2 , галоген с наивысшим атомным номером, является твердым веществом при комнатной температуре.
По мере увеличения атомного номера количество присутствующих электронов увеличивается, что способствует поляризации атомов и, следовательно, взаимодействиям между ними. Это определяет физическое состояние галогенов.
Радиостанции Van der Waals
Взаимодействия между молекулами и атомами могут быть притягивающими или отталкивающими, в зависимости от критического расстояния между их центрами, которое называется r v .
На расстояниях между молекулами или атомами больше, чем r v , притяжение между ядрами одной молекулы и электронами другой преобладает над отталкиванием между ядрами и электронами двух молекул.
В описанном случае взаимодействие является притягивающим, но что произойдет, если молекулы сблизятся на расстояние между их центрами меньше rv? Тогда сила отталкивания преобладает над притягивающей, что препятствует более тесному сближению атомов.
Значение r v определяется так называемыми радиусами Ван-дер-Ваальса (R). Для сферических и одинаковых молекул r v равно 2R. Для двух разных молекул радиусов R 1 и R 2 : r v равно R 1 + R 2 . Значения ван-дер-ваальсовых радиусов приведены в таблице 1.
Значение, приведенное в таблице 1, указывает на радиус Ван-дер-Ваальса 0,12 нм (10 -9 м) для водорода. Таким образом, значение r v для этого атома составляет 0,24 нм. При значении r v менее 0,24 нм возникает отталкивание между атомами водорода.
Таблица 1. Ван-дер-Ваальсовы радиусы некоторых атомов и групп атомов.
Силы и энергия электрического взаимодействия между атомами и между молекулами
Сила между парой зарядов q 1 и q 2 , разделенных в вакууме расстоянием r, задается законом Кулона.
F = k. д 1 .q 2 / г 2
В этом выражении k - константа, значение которой зависит от используемых единиц. Если значение силы, определяемое применением закона Кулона, отрицательное, это указывает на силу притяжения. Напротив, если значение силы положительное, это указывает на силу отталкивания.
Поскольку молекулы обычно находятся в водной среде, которая экранирует действующие электрические силы, необходимо ввести термин диэлектрическая проницаемость (ε). Таким образом, эта константа корректирует значение, данное для электрических сил в результате применения закона Кулона.
F = KQ 1 .q 2 /ε.r 2
Точно так же энергия электрического взаимодействия (U) определяется выражением:
U = k. д 1 .q 2 /ε.r
Ссылки
- Редакторы энциклопедии Британника. (2018). Силы Ван-дер-Ваальса. Получено 27 мая 2018 г. с: britannica.com.
- Wikipedia. (2017). Силы Ван-дер-Ваальса. Получено 27 мая 2018 г. с сайта es.wikipedia.org.
- Кэтрин Раш, Лиза Петерсон, Сейла Бут, Ирен Ли. Силы Ван-дер-Ваальса. Получено 27 мая 2018 г. с: chem.libretexts.org
- Моррис, Дж. Г. (1974) Физическая химия биолога. 2и редакция. Эдвард Арнольд (издатели) Limited.
- Мэтьюз, К. К., Ван Холд, К. Э. и Ахерн, К. Г. (2002) Биохимия. Третье издание. Addison Wesley Longman, Inc.