Plik Siły Londynu, Londyńskie siły rozpraszania lub indukowane oddziaływania dipol-dipol są najsłabszym rodzajem oddziaływań międzycząsteczkowych. Jego nazwa zawdzięcza wkładowi fizyka Fritza Londona i jego studiom z zakresu fizyki kwantowej.
Siły Londynu wyjaśniają, w jaki sposób oddziałują na siebie cząsteczki, których struktury i atomy uniemożliwiają mu utworzenie trwałego dipola; to znaczy zasadniczo stosuje się do niepolarnych cząsteczek lub izolowanych atomów gazów szlachetnych. W przeciwieństwie do innych sił Van der Waalsa, ta wymaga ekstremalnie krótkich dystansów.
Dobrą analogię fizyczną do sił londyńskich można znaleźć w działaniu systemu zapinania na rzepy (zdjęcie powyżej). Naciskając jedną stronę tkaniny haftowanej haczykami, a drugą włóknami, powstaje siła przyciągająca proporcjonalna do powierzchni tkaniny.
Gdy obie twarze zostaną uszczelnione, należy wywrzeć siłę, aby przeciwdziałać ich interakcjom (wykonywanym przez nasze palce), aby je rozdzielić. To samo dotyczy cząsteczek: im są większe lub bardziej płaskie, tym większe są ich interakcje międzycząsteczkowe na bardzo krótkich odległościach..
Jednak nie zawsze jest możliwe zbliżenie się do tych cząsteczek z odległości dostatecznie bliskiej, aby ich interakcje były dostrzegalne..
W takim przypadku wymagają one bardzo niskich temperatur lub bardzo wysokich ciśnień; tak jest w przypadku gazów. Podobnie tego typu interakcje mogą występować w substancjach ciekłych (takich jak n-heksan) i substancjach stałych (takich jak jod)..
Indeks artykułów
Jakie cechy musi mieć cząsteczka, aby mogła oddziaływać przy użyciu sił Londynu? Odpowiedź jest taka, że każdy mógłby to zrobić, ale gdy występuje trwały moment dipolowy, interakcje dipol-dipol dominują bardziej niż rozpraszające, przyczyniając się w bardzo niewielkim stopniu do fizycznego charakteru substancji..
W strukturach, w których nie ma atomów silnie elektroujemnych lub których rozkład ładunku elektrostatycznego jest jednorodny, nie ma skrajności ani regionu, który można uznać za bogaty (δ-) lub słaby (δ +) w elektrony.
W takich przypadkach muszą interweniować inne rodzaje sił, w przeciwnym razie związki te mogą istnieć tylko w fazie gazowej, niezależnie od działających na nie warunków ciśnienia lub temperatury..
Dwa izolowane atomy, takie jak neon lub argon, mają jednorodny rozkład ładunku. Można to zobaczyć na A, górnym obrazku. Białe kółka w środku reprezentują jądra atomów lub szkielet molekularny cząsteczek. Ten rozkład ładunku można uznać za chmurę zielonych elektronów.
Dlaczego gazy szlachetne są zgodne z tą jednorodnością? Ponieważ ich powłoka elektronowa jest całkowicie pełna, więc ich elektrony powinny teoretycznie odczuwać przyciągający ładunek jądra jednakowo na wszystkich orbitalach..
Z drugiej strony, w przypadku innych gazów, takich jak atomowy tlen (O), jej powłoka jest niekompletna (co obserwuje się w jej konfiguracji elektronowej) i zmusza ją do utworzenia dwuatomowej cząsteczki Odwa aby nadrobić ten brak.
Zielone kółka w A mogą być również cząsteczkami, małymi lub dużymi. Jego chmura elektronów krąży wokół wszystkich atomów, z których się składa, zwłaszcza tych najbardziej elektroujemnych. Wokół tych atomów chmura będzie skoncentrowana i będzie bardziej ujemna, podczas gdy inne atomy będą miały niedobór elektroniki.
Jednak ta chmura nie jest statyczna, ale dynamiczna, więc w pewnym momencie utworzą się krótkie regiony δ- i δ + i zjawisko zwane Polaryzacja.
W A zielona chmura wskazuje na jednorodny rozkład ładunku ujemnego. Jednak dodatnia siła przyciągania wywierana przez jądro może oscylować na elektronach. Powoduje to deformację chmury, tworząc w ten sposób regiony δ- w kolorze niebieskim i δ + w kolorze żółtym..
Ten nagły moment dipolowy w atomie lub cząsteczce może zniekształcić sąsiednią chmurę elektronów; innymi słowy, indukuje nagły dipol u swojego sąsiada (B, górne zdjęcie).
Dzieje się tak, ponieważ region δ zakłóca sąsiedni obłok, jego elektrony odczuwają odpychanie elektrostatyczne i są zorientowane na przeciwnym biegunie, pojawiając się δ+.
Zwróć uwagę, jak bieguny dodatnie pokrywają się z biegunami ujemnymi, tak jak robią to cząsteczki ze stałymi momentami dipolowymi. Im bardziej obszerny jest obłok elektronów, tym trudniej jądro utrzyma jego jednorodność w przestrzeni; a także, im większe jest jego odkształcenie, jak widać w C..
Dlatego też istnieje mniejsze prawdopodobieństwo, że atomy i małe cząsteczki zostaną spolaryzowane przez jakąkolwiek cząsteczkę w ich środowisku. Przykładem takiej sytuacji jest mała cząsteczka wodoru, Hdwa.
Aby mógł się skondensować lub nawet bardziej skrystalizować, potrzebuje wygórowanych ciśnień, aby zmusić swoje cząsteczki do fizycznej interakcji.
Chociaż powstają natychmiastowe dipole, które indukują wokół siebie innych, nie wystarczają one do utrzymania razem atomów lub cząsteczek..
W B jest odległość re który oddziela dwie chmury i ich dwa jądra. Aby oba dipole mogły pozostać przez rozważany czas, ta odległość re musi być bardzo mały.
Warunek ten, istotny cecha sił londyńskich (pamiętajmy o zapięciu na rzep), musi być spełniony, aby miał zauważalny wpływ na właściwości fizyczne materii..
Jeden raz re jest małe, jądro po lewej stronie B zacznie przyciągać niebieski region δ- sąsiedniego atomu lub cząsteczki. To jeszcze bardziej zdeformuje chmurę, jak widać w C (rdzeń nie jest już w środku, ale po prawej stronie). Następnie dochodzi do punktu, w którym obie chmury dotykają się i „odbijają”, ale na tyle wolno, aby utrzymać je razem przez chwilę..
Dlatego siły Londynu są odwrotnie proporcjonalne do odległości re. W rzeczywistości współczynnik jest równy re7, więc niewielka zmiana odległości między dwoma atomami lub cząsteczkami osłabi lub wzmocni rozpraszanie londyńskie.
Jak zwiększyć rozmiar chmur, aby łatwiej ulegały polaryzacji? Dodanie elektronów, a do tego jądro musi mieć więcej protonów i neutronów, zwiększając w ten sposób masę atomową; lub dodanie atomów do szkieletu cząsteczki, co z kolei zwiększyłoby jej masę cząsteczkową
W ten sposób jądra lub szkielet molekularny miałyby mniejsze szanse na utrzymanie jednorodności chmury elektronów przez cały czas. Dlatego im większe zielone okręgi rozpatrywane w punktach A, B i C, tym bardziej będą one polaryzowalne i tym większe będą ich interakcje ze strony sił londyńskich..
Efekt ten jest wyraźnie widoczny między B i C i mógłby być jeszcze większy, gdyby koła miały większą średnicę. To rozumowanie jest kluczowe dla wyjaśnienia właściwości fizycznych wielu związków na podstawie ich mas cząsteczkowych..
W życiu codziennym istnieją niezliczone przykłady sił rozpraszających Londyn bez zapuszczania się przede wszystkim w mikroskopijny świat..
Jeden z najczęstszych i najbardziej zaskakujących przykładów można znaleźć w nogach gadów znanych jako gekony (górne zdjęcie) i wielu owadów (także u Spidermana).
Na nogach mają opuszki, z których wystają tysiące małych włókienek. Na zdjęciu widać gekona pozującego na zboczu skały. Aby to osiągnąć, wykorzystuje siły międzycząsteczkowe między skałą a włóknami jego nóg..
Każde z tych włókien oddziałuje słabo z powierzchnią, po której wspina się mały gad, ale ponieważ jest ich tysiące, wywierają siłę proporcjonalną do obszaru ich nóg, na tyle silną, że pozostają przyczepione i mogą się wspinać. Gekony są również zdolne do wspinania się po gładkich i doskonałych powierzchniach, takich jak szkło..
Alkany to węglowodory nasycone, które również oddziałują z siłami Londynu. Ich struktury molekularne składają się po prostu z atomów węgla i wodoru połączonych pojedynczymi wiązaniami. Ponieważ różnica w elektroujemności między C i H jest bardzo mała, są to związki niepolarne.
Zatem metan, CH4, najmniejszy węglowodór ze wszystkich, wrze w temperaturze -161,7ºC. Gdy C i H są dodawane do szkieletu, otrzymuje się inne alkany o wyższych masach cząsteczkowych.
W ten sposób powstają etan (-88,6 ° C), butan (-0,5 ° C) i oktan (125,7 ° C). Zwróć uwagę, jak ich punkty wrzenia rosną, gdy alkany stają się cięższe.
Dzieje się tak, ponieważ ich chmury elektronowe są bardziej podatne na polaryzację, a ich struktury mają większą powierzchnię, co zwiększa kontakt między ich cząsteczkami..
Oktan, chociaż jest związkiem niepolarnym, ma wyższą temperaturę wrzenia niż woda.
Siły londyńskie są również obecne w wielu substancjach gazowych. Na przykład cząsteczki Ndwa, H.dwa, WSPÓŁdwa, fadwa, Cldwa i wszystkie szlachetne gazy oddziałują poprzez te siły, ponieważ mają one jednorodny rozkład elektrostatyczny, który może cierpieć na chwilowe dipole i powodować polaryzacje.
Gazy szlachetne to He (hel), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), Xe (ksenon) i Rn (radon). Od lewej do prawej ich punkty wrzenia rosną wraz ze wzrostem mas atomowych: -269, -246, -186, -152, -108 i -62 ºC.
Halogeny również oddziałują poprzez te siły. Fluor jest gazem o temperaturze pokojowej, podobnie jak chlor. Brom o większej masie atomowej występuje w normalnych warunkach jako czerwonawa ciecz, a jod ostatecznie tworzy fioletową substancję stałą, która szybko sublimuje, ponieważ jest cięższa niż inne halogeny.
Jeszcze bez komentarzy