SIŁY LONDYŃSKIE: CHARAKTERYSTYKA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2024

Siły londyńskie, siły dyspersji londyńskiej lub interakcje dipolowo-dipolowe są najsłabszym typem oddziaływań międzycząsteczkowych. Jego nazwa zawdzięcza wkładowi fizyka Fritza Londona i jego studiom z zakresu fizyki kwantowej.

Siły londyńskie wyjaśniają, w jaki sposób oddziałują na siebie cząsteczki, których struktury i atomy uniemożliwiają mu utworzenie stałego dipola; to znaczy zasadniczo stosuje się do niepolarnych cząsteczek lub do izolowanych atomów gazów szlachetnych. W przeciwieństwie do innych sił Van der Waalsa, ta wymaga ekstremalnie krótkich dystansów.

Źródło: Hadley Paul Garland przez Flickr

Dobrą analogię fizyczną do sił londyńskich można znaleźć w działaniu systemu zapięcia na rzepy (zdjęcie powyżej). Naciskając jedną stronę haftowanej tkaniny haczykami, a drugą włóknami, powstaje siła przyciągania proporcjonalna do powierzchni tkaniny.

Kiedy obie twarze zostaną uszczelnione, należy wywrzeć siłę, aby przeciwdziałać ich interakcjom (naszym palcom), aby je rozdzielić. To samo dotyczy cząsteczek: im bardziej są obszerne lub płaskie, tym większe są ich interakcje międzycząsteczkowe na bardzo krótkich dystansach.

Jednak nie zawsze jest możliwe zbliżenie tych cząsteczek wystarczająco blisko, aby ich interakcje były zauważalne.

W takim przypadku wymagają 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).

cechy

Źródło: Gabriel Bolívar

Jakie cechy musi mieć cząsteczka, aby mogła oddziaływać przy użyciu sił Londynu? Odpowiedź brzmi, 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 silnie elektroujemnych atomów lub których rozkład ładunku elektrostatycznego jest jednorodny, nie ma skrajności ani regionu, który można uznać za bogaty (δ-) lub ubogi (δ +) w elektrony.

W takich przypadkach muszą interweniować inne rodzaje sił, w przeciwnym razie związki te mogłyby istnieć tylko w fazie gazowej, niezależnie od panującego na nie ciśnienia lub temperatury.

Jednorodny rozkład obciążenia

Dwa izolowane atomy, takie jak neon lub argon, mają jednorodny rozkład ładunku. Można to zobaczyć na 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 mają całkowicie w pełni elektroniczną powłokę, więc ich elektrony powinny teoretycznie odczuwać przyciągający ładunek jądra jednakowo na wszystkich orbitali.

Z drugiej strony, w przypadku innych gazów, takich jak atom tlenu (O), jego warstwa jest niekompletna (co obserwuje się w jej konfiguracji elektronowej) i zmusza ją do utworzenia dwuatomowej cząsteczki O _{2 w} celu skompensowania tego niedoboru.

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 stanie się bardziej skoncentrowana i 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 nastąpi zjawisko zwane polaryzacją.

Polaryzowalność

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-, na niebiesko i δ +, na żółto.

Ten nagły moment dipolowy w atomie lub cząsteczce może zniekształcić sąsiednią chmurę elektronów; innymi słowy, wywołuje u sąsiada nagły dipol (B, górne zdjęcie).

Wynika to z faktu, że obszar δ- zaburza sąsiedni obłok, jego elektrony odczuwają odpychanie elektrostatyczne i są zorientowane na przeciwny biegun, pojawiający się δ +.

Zwróć uwagę, jak bieguny dodatnie są wyrównane z 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 dodatkowo, im większe jest jego odkształcenie, co widać u C.

Dlatego też istnieje mniejsze prawdopodobieństwo, że atomy i małe cząsteczki będą spolaryzowane przez jakąkolwiek cząsteczkę w ich środowisku. Przykładem takiej sytuacji jest mała cząsteczka wodoru, H ₂ .

Aby mógł się skondensować, a nawet bardziej skrystalizować, potrzebuje wygórowanych ciśnień, aby zmusić swoje cząsteczki do fizycznej interakcji.

Jest odwrotnie proporcjonalna do odległości

Chociaż powstają natychmiastowe dipole, które indukują wokół siebie innych, nie wystarczają one do utrzymania razem atomów lub cząsteczek.

W B jest odległość d, która oddziela dwie chmury i ich dwa jądra. Aby oba dipole mogły pozostać przez rozważany czas, ta odległość d musi być bardzo mała.

Warunek ten, istotny dla sił londyńskich (pamiętajmy o zapięciu na rzep), musi być spełniony, aby miał zauważalny wpływ na właściwości fizyczne materii.

Gdy d 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 znajduje się 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 d. W rzeczywistości współczynnik jest równy d ⁷ , więc niewielka zmiana odległości między dwoma atomami lub cząsteczkami osłabi lub wzmocni rozpraszanie londyńskie.

Jest wprost proporcjonalna do masy cząsteczkowej

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 kręgosłupa 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 kółka rozpatrywane w punktach A, B i C, tym bardziej będą 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 ma kluczowe znaczenie dla wyjaśnienia właściwości fizycznych wielu związków na podstawie ich mas cząsteczkowych.

Przykłady wojsk londyńskich

Źródło: Pxhere

W naturze

W życiu codziennym istnieją niezliczone przykłady sił rozpraszających Londyn bez konieczności 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 możesz zobaczyć 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

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, CH ₄ , najmniejszy węglowodór ze wszystkich, wrze w temperaturze -161,7ºC. Gdy do szkieletu dodawane są C i H, 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.

Halogeny i gazy

Siły londyńskie są również obecne w wielu substancjach gazowych. Na przykład cząsteczki N ₂ , H ₂ , CO ₂ , F ₂ , Cl ₂ i wszystkie gazy szlachetne oddziałują poprzez te siły, ponieważ mają one jednorodny rozkład elektrostatyczny, który może ulegać chwilowym dipolom i prowadzić do polaryzacji.

Gazy szlachetne to He (hel), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), Xe (ksenon) i Rn (radon). Od lewej do prawej ich temperatury 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.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning, s. 452–455.
2. Angeles Mendez. (22 maja 2012). Siły dyspersyjne (z Londynu). Odzyskany z: quimica.laguia2000.com
3. London Dispersion Forces. Odzyskany z: chem.purdue.edu
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 czerwca 2018). 3 Rodzaje sił międzycząsteczkowych. Odzyskany z: thinkco.com
5. Ryan Ilagan i Gary L Bertrand. London Dispersion Interactions. Zaczerpnięte z: chem.libretexts.org
6. ChemPages Netorials. London Forces. Odzyskany z: chem.wisc.edu
7. Kamereon. (22 maja 2013). Gekony: Gekon i siły Van der Waalsa. Odzyskane z: almabiologica.com