ЛОНДОНСЬКІ СИЛИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

В силах Лондона , Лондон дисперсійні сили або індукований диполь - дипольні взаємодії, є найслабшим типом міжмолекулярних взаємодій. Свою назву він отримав завдяки внеску фізика Фріца Лондона та його досліджень у галузі квантової фізики.

Лондонські сили пояснюють, як молекули взаємодіють, структури і атоми яких унеможливлюють утворення постійного диполя; тобто це принципово стосується аполярних молекул або до ізольованих атомів благородних газів. На відміну від інших сил Ван-дер-Ваальса, для цього потрібні надзвичайно короткі відстані.

Джерело: Хадлі Пол Гарленд через Flickr

Гарну фізичну аналогію лондонських сил можна знайти в роботі системи закриття на липучках (зображення вище). Натискаючи одну сторону вишитої тканини гачками, а другу - волокнами, створюється приваблива сила, пропорційна площі тканин.

Після того, як обидва обличчя запечатані, необхідно застосувати силу для протидії їх взаємодії (зробленої нашими пальцями), щоб розділити їх. Те саме стосується молекул: чим вони більш об'ємні або плоскі, тим більша їх міжмолекулярна взаємодія на дуже коротких відстанях.

Однак не завжди можливо зблизити ці молекули досить близько, щоб їх взаємодія була помітною.

Коли це так, їм потрібні дуже низькі температури або дуже високий тиск; як такий, що стосується газів. Так само такі типи взаємодій можуть бути присутніми в рідких речовинах (таких як н-гексан) і твердих речовинах (таких як йод).

характеристики

Джерело: Габріель Болівар

Якими характеристиками повинна володіти молекула, щоб вона могла взаємодіяти, використовуючи сили Лондона? Відповідь полягає в тому, що кожен міг це зробити, але коли є постійний дипольний момент, диполь-дипольні взаємодії переважають більше, ніж розсіюючі, дуже мало сприяючи фізичній природі речовин.

У структурах, де немає високоелектричних атомів або електростатичний розподіл заряду гомогенний, немає крайніх областей або регіонів, які можна вважати багатими (δ-) або бідними (δ +) електронами.

У цих випадках повинні втручатися інші типи сил, інакше ці сполуки можуть існувати лише у газовій фазі, незалежно від тиску чи температурних умов, що діють на них.

Однорідний розподіл навантаження

Два ізольованих атома, такі як неонові або аргонові, мають однорідний розподіл заряду. Це можна побачити на верхньому зображенні A. Білі кола в центрі являють собою ядра, для атомів або молекулярний скелет, для молекул. Цей розподіл заряду можна розглядати як хмару зелених електронів.

Чому благородні гази відповідають цій однорідності? Оскільки вони мають повністю повну електронну оболонку, тому їхні електрони теоретично повинні відчувати привабливий заряд ядра однаково на всіх орбіталях.

З іншого боку, для інших газів, таких як атомний кисень (O), його оболонка є неповною (що спостерігається в її електронній конфігурації) і змушує її утворювати діатомічну молекулу O ₂ для компенсації цього дефіциту.

Зелені кола в А також можуть бути молекулами, малими або великими. Його електронна хмара обертається навколо всіх атомів, що входять до її складу, особливо найбільш електронегативних. Навколо цих атомів хмара стане більш концентрованою та негативною, а інші атоми матимуть дефіцит електроніки.

Однак ця хмара не є статичною, а динамічною, тому в якийсь момент утвориться коротка область δ- і δ +, і відбудеться явище під назвою поляризація.

Поляризація

В A хмара зеленого кольору позначає однорідний розподіл негативного заряду. Однак позитивна приваблива сила, яку чинить ядро, може коливатися на електронах. Це викликає деформацію хмари, створюючи, таким чином, області δ-, у синьому та δ +, у жовтому.

Цей раптовий дипольний момент в атомі або молекулі може спотворити сусідню електронну хмару; Іншими словами, це викликає раптовий диполь на свого сусіда (B, верхнє зображення).

Це пов'язано з тим, що δ-область порушує сусідню хмару, її електрони відчувають електростатичне відштовхування та орієнтовані на протилежний полюс, з'являючись δ +.

Зверніть увагу, як позитивні полюси узгоджуються з негативними, як це роблять молекули з постійними дипольними моментами. Чим об’ємніше електронна хмара, тим складніше ядро ​​буде зберігати його однорідним у просторі; і крім того, чим більша його деформація, як це можна побачити в С.

Тому атоми та малі молекули рідше поляризуються будь-якою частинкою їхнього середовища. Приклад такої ситуації ілюструється малою молекулою водню, H ₂ .

Для того, щоб він конденсувався або навіть більше кристалізувався, йому потрібні надмірні тиски, щоб змусити його молекули фізично взаємодіяти.

Він обернено пропорційний відстані

Хоча утворюються миттєві диполі, які індукують інших навколо них, їх недостатньо для утримання атомів чи молекул разом.

У В є відстань d, яка розділяє дві хмари та два їх ядра. Щоб обидва диполі могли залишатися протягом певного часу, ця відстань d повинна бути дуже малою.

Ця умова, важлива характеристика лондонських сил (згадайте про закриття на липучках), повинна бути виконана для того, щоб вона помітно вплинула на фізичні властивості речовини.

Як тільки d буде малим, ядро ​​зліва в B почне притягувати синю δ- область сусіднього атома чи молекули. Це ще більше деформує хмару, як це видно на С (ядро вже не в центрі, а праворуч). Потім настає момент, коли і хмари торкаються і «відскакують», але досить повільно, щоб утримати їх на деякий час.

Тому сили Лондона обернено пропорційні відстані d. Насправді коефіцієнт дорівнює d ⁷ , тому незначне коливання відстані між двома атомами чи молекулами послабить або посилить лондонське розсіювання.

Він прямо пропорційний молекулярній масі

Як збільшити розмір хмар, щоб вони легше поляризувалися? Додавання електронів, і для цього ядро ​​повинно мати більше протонів і нейтронів, збільшуючи тим самим атомну масу; або, додаючи атоми до основи молекули, що, в свою чергу, збільшить його молекулярну масу

Таким чином, ядра або молекулярний скелет будуть менше шансів постійно зберігати електронну хмару рівномірною. Отже, чим більше зелених кіл, що розглядаються в А, В і С, тим вони будуть поляризуванішими і тим сильнішими будуть також їх взаємодії лондонськими силами.

Цей ефект чітко спостерігається між B і C, і може бути навіть більше, якби кола були більшого діаметру. Це міркування є ключовим для пояснення фізичних властивостей багатьох сполук на основі їх молекулярних мас.

Приклади лондонських сил

Джерело: Pxhere

В природі

У повсякденному житті є незліченна кількість прикладів розгону Лондона без необхідності вперше вступати у мікроскопічний світ.

Один з найпоширеніших і дивовижних прикладів знаходиться у ніжках рептилій, відомих як гекони (верхнє зображення) та у багатьох комах (також у Spiderman).

На ногах у них подушечки, з яких стирчать тисячі маленьких ниток. На зображенні ви можете побачити гекона, який позує на схилі скелі. Для цього він використовує міжмолекулярні сили між скелею і нитками її ніг.

Кожен з цих ниток слабко взаємодіє з поверхнею, на яку піднімається маленька рептилія, але оскільки їх тисячі, вони здійснюють силу, пропорційну площі її ніжок, досить сильну, щоб вони залишалися прив’язаними і могли підніматися. Гекони також здатні підніматися на гладкі та ідеальні поверхні, як скло.

Алканес

Алкани - це насичені вуглеводні, які також взаємодіють лондонськими силами. Їх молекулярні структури просто складаються з вуглецю та водню, з'єднаних єдиними зв’язками. Оскільки різниця електронегативностей між С і Н дуже мала, вони є неполярними сполуками.

Таким чином, метан, CH ₄ , найменший вуглеводень з усіх, кипить при температурі -161,7ºC. По мірі додавання С та Н до скелета отримують інші алкани з більш високою молекулярною масою.

Таким чином виникають етан (-88,6ºC), бутан (-0,5ºC) та октан (125,7ºC). Зауважте, як збільшуються їх температури кипіння, коли алкани важчі.

Це пояснюється тим, що їхні електронні хмари є більш поляризованими, а їх структури мають більшу площу поверхні, що збільшує контакт між їх молекулами.

Октан, хоча і є аполярною сполукою, має більш високу температуру кипіння, ніж вода.

Галогени та гази

Лондонські сили також присутні у багатьох газоподібних речовинах. Наприклад, молекули N ₂ , H ₂ , CO ₂ , F ₂ , Cl ₂ і всі благородні гази взаємодіють через ці сили, оскільки вони мають однорідний електростатичний розподіл, який може зазнати миттєвих диполів і призвести до поляризації.

Благородними газами є Ге (гелій), Не (неон), Ар (аргон), Кр (криптон), Xe (ксенон) і Rn (радон). Зліва направо їх точки кипіння збільшуються зі збільшенням атомних мас: -269, -246, -186, -152, -108 та -62 ºC.

Галогени також взаємодіють через ці сили. Фтор - це газ кімнатної температури, як і хлор. Бром, що має більшу атомну масу, знаходиться в нормальних умовах у вигляді червонуватої рідини, а йод, нарешті, утворює фіолетове тверде тіло, яке швидко сублімується, оскільки важче інших галогенів.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Learning, p 452-455.
2. Анджелес Мендес. (22 травня 2012 р.). Дисперсійні сили (з Лондона). Відновлено з: quimica.laguia2000.com
3. Лондонські дисперсійні сили. Відновлено: chem.purdue.edu
4. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (22 червня 2018 р.). 3 типи міжмолекулярних сил. Відновлено з: thinkco.com
5. Ryan Ilagan & Gary L Bertrand. Лондонські дисперсійні взаємодії. Взято з: chem.libretexts.org
6. ChemPages Netorials. Лондонські сили. Відновлено: chem.wisc.edu
7. Камереон. (22 травня 2013 р.). Гекони: Геккон і сили Ван дер ваал. Відновлено: almabiologica.com