СИЛИТЕ НА ЛОНДОН: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

На сили Лондон, Лондон дисперсия сили или взаимодействия индуциран дипол-дипол, са най-слабите вида на междумолекулни взаимодействия. Името му се дължи на приноса на физика Фриц Лондон и неговите изследвания в областта на квантовата физика.

Лондонските сили обясняват как молекулите си взаимодействат, чиито структури и атоми правят невъзможно формирането на постоянен дипол; тоест, той се прилага основно за аполарни молекули или за изолирани атоми на благородни газове. За разлика от другите сили на Ван дер Ваал, тази изисква изключително къси разстояния.

Източник: Хадли Пол Гарланд чрез Flickr

Добра физическа аналогия на силите в Лондон може да се намери в работата на системата за затваряне на велкро (изображение по-горе). Чрез натискане на едната страна на бродираната тъкан с куки, а другата с влакна, се създава атрактивна сила, която е пропорционална на площта на тъканите.

След като и двете лица са запечатани, трябва да се приложи сила, която да противодейства на взаимодействията им (направени от пръстите ни), за да ги разделим. Същото се отнася и за молекулите: колкото по-обемни или плоски са те, толкова по-големи са техните междумолекулни взаимодействия на много къси разстояния.

Въпреки това, не винаги е възможно тези молекули да се доближат достатъчно, за да бъдат забележими техните взаимодействия.

Когато това е така, те изискват много ниски температури или много високо налягане; като такъв е случаят с газовете. По същия начин, тези видове взаимодействия могат да присъстват в течни вещества (като n-хексан) и твърди вещества (като йод).

характеристики

Източник: Габриел Боливар

Какви характеристики трябва да има молекула, за да взаимодейства, използвайки силите на Лондон? Отговорът е, че всеки би могъл да го направи, но когато има постоянен диполен момент, диполо-диполните взаимодействия преобладават повече от разпръскващите, допринасяйки много малко за физическата природа на веществата.

В структури, където няма силно електроотрицателни атоми или чието електростатично разпределение на заряда е хомогенно, няма крайност или регион, който може да се счита за богат (δ-) или лош (δ +) в електрони.

В тези случаи трябва да се намесят други видове сили или по друг начин тези съединения могат да съществуват само в газова фаза, независимо от условията на налягане или температура, действащи върху тях.

Хомогенно разпределение на натоварването

Два изолирани атома, като неонови или аргонови, имат хомогенно разпределение на заряда. Това може да се види на A, отгоре. Белите кръгове в центъра представляват ядрата, за атомите или молекулния скелет, за молекулите. Това разпределение на заряда може да се разглежда като облак от зелени електрони.

Защо благородните газове съответстват на тази хомогенност? Тъй като имат напълно пълна електронна обвивка, затова техните електрони теоретично трябва да усещат атрактивния заряд на ядрото еднакво във всички орбитали.

От друга страна, за други газове, като атомен кислород (O), обвивката му е непълна (което се наблюдава в електронната й конфигурация) и я принуждава да образува диатомичната молекула O _{2, за} да компенсира този дефицит.

Зелените кръгове в А също могат да бъдат молекули, малки или големи. Електронният му облак обикаля около всички атоми, които го съставят, особено най-електронегативните. Около тези атоми облакът ще стане по-концентриран и отрицателен, докато други атоми ще имат електронен дефицит.

Този облак обаче не е статичен, а динамичен, така че в един момент ще се образуват кратки δ- и δ + региони и ще се появи явление, наречено поляризация.

поляризуемост

В A облакът в зелен цвят показва хомогенно разпределение на отрицателния заряд. Положителната привлекателна сила, упражнена от ядрото, може да се колебае върху електроните. Това причинява деформация на облака, създавайки по този начин области δ-, в синьо и δ +, в жълто.

Този внезапен диполен момент в атома или молекулата може да изкриви съседен електронен облак; с други думи, той предизвиква внезапен дипол на съседа си (B, горно изображение).

Това се дължи на факта, че δ-регионът нарушава съседния облак, неговите електрони усещат електростатично отблъскване и са ориентирани към противоположния полюс, появявайки се δ +.

Обърнете внимание как положителните полюси се приравняват с отрицателните, точно както правят молекулите с постоянни диполни моменти. Колкото по-обемно е облакът от електрон, толкова по-трудно ядрото ще го поддържа хомогенно в пространството; и в допълнение, толкова по-голяма е деформацията му, както може да се види в С.

Следователно атомите и малките молекули са по-малко вероятно да бъдат поляризирани от всяка частица в тяхната среда. Един пример за това положение е илюстрирано с малка молекула се от водород, Н ₂.

За да може той да се кондензира или дори повече да кристализира, той се нуждае от прекомерно налягане, за да принуди молекулите си да взаимодействат физически.

Той е обратно пропорционален на разстоянието

Въпреки че се образуват мигновни диполи, които предизвикват други около тях, те не са достатъчни, за да държат атомите или молекулите заедно.

В В има разстояние d, което разделя двата облака и двете им ядра. За да може двата дипола да останат за дадено време, това разстояние d трябва да е много малко.

Това условие, съществена характеристика на лондонските сили (не забравяйте затварянето на велкро), трябва да бъде изпълнено, за да има забележим ефект върху физичните свойства на материята.

След като d е малко, ядрото отляво в B ще започне да привлича синята δ-област на съседния атом или молекула. Това допълнително ще деформира облака, както се вижда от C (ядрото вече не е в центъра, а вдясно). След това идва момент, в който и двата облака докосват и „отскачат“, но достатъчно бавно, за да ги задържат известно време.

Следователно силите на Лондон са обратно пропорционални на разстоянието d. Всъщност коефициентът е равен на d ⁷, така че леко изменение в разстоянието между двата атома или молекули ще отслаби или ще засили лондонското разсейване.

Той е пряко пропорционален на молекулната маса

Как да увеличите размера на облаците, така че да се поляризират по-лесно? Добавяне на електрони и за това ядрото трябва да има повече протони и неутрони, като по този начин увеличава атомната маса; или добавяне на атоми към гръбнака на молекулата, което от своя страна би увеличило молекулната му маса

По този начин ядрата или молекулярният скелет ще бъдат по-малко вероятно да поддържат електронния облак през цялото време еднообразен. Следователно, колкото по-големи са зелените кръгове, разгледани в A, B и C, толкова по-поляризируеми ще бъдат те и по-големи ще бъдат и взаимодействията им от лондонските сили.

Този ефект ясно се наблюдава между В и С и може да бъде още повече, ако кръговете са с по-голям диаметър. Това разсъждение е ключово за обясняване на физичните свойства на много съединения въз основа на техните молекулни маси.

Примери за лондонските сили

Източник: Pxhere

В природата

В ежедневието има безброй примери за разпръснатите сили на Лондон, без да е необходимо да се впускате в микроскопичния свят на първо място.

Един от най-често срещаните и изненадващи примери се намира в краката на влечуги, известни като гекони (горно изображение) и в много насекоми (също в Spiderman).

На краката си имат подложки, от които стърчат хиляди малки нишки. На изображението можете да видите гекон, позиращ на склона на скала. За да постигне това, той използва междумолекулните сили между скалата и нишките на краката си.

Всеки от тези нишки взаимодейства слабо с повърхността, върху която се изкачва малкото влечуго, но тъй като има хиляди от тях, те упражняват сила, пропорционална на площта на краката им, достатъчно силна, така че да останат прикрепени и да могат да се изкачат. Геконите също са способни да изкачват гладки и перфектни повърхности като стъкло.

Алкани

Алканите са наситени въглеводороди, които също взаимодействат от силите на Лондон. Техните молекулни структури просто се състоят от въглерод и водород, съединени от единични връзки. Тъй като разликата в електроотрицателностите между С и Н е много малка, те са аполарни съединения.

Така, метан, CH ₄, най-малката въглеводород всичко кипи при -161.7ºC. Тъй като С и Н се добавят към скелета, се получават други алкани с по-висока молекулна маса.

По този начин възникват етан (-88,6ºC), бутан (-0,5ºC) и октан (125,7ºC). Забележете как техните точки на кипене се увеличават, когато алканите стават по-тежки.

Това е така, защото техните електронни облаци са по-поляризируеми и техните структури имат по-голяма повърхностна площ, което увеличава контакта между техните молекули.

Октанът, макар и аполарно съединение, има по-висока точка на кипене от водата.

Халогени и газове

Силите на Лондон също присъстват в много газообразни вещества. Например, молекулите на N ₂, H ₂, CO ₂, F ₂, Cl ₂ и всички благородни газове, взаимодействат чрез тези сили, тъй като настоящото хомогенна електростатично разпределение, което може да претърпи моментните диполи и да доведе до поляризация.

Благородните газове са He (хелий), Ne (неон), Ar (аргон), Kr (криптон), Xe (ксенон) и Rn (радон). Отляво надясно точките им на кипене нарастват с увеличаване на атомните маси: -269, -246, -186, -152, -108 и -62 ºC.

Халогените също взаимодействат чрез тези сили. Флуорът е газ със стайна температура, точно както хлорът. Бромът с по-висока атомна маса се намира в нормални условия като червеникава течност, а йодът накрая образува лилаво твърдо вещество, което се сублимира бързо, защото е по-тежко от другите халогени.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 452-455.
2. Анджелис Мендес. (22 май 2012 г.). Дисперсионни сили (от Лондон). Възстановено от: quimica.laguia2000.com
3. Силите за разпръскване в Лондон. Възстановена от: chem.purdue.edu
4. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (22 юни 2018 г.). 3 вида междумолекулни сили. Възстановено от: thinkco.com
5. Ryan Ilagan & Gary L Bertrand. Лондонски дисперсионни взаимодействия. Взета от: chem.libretexts.org
6. ChemPages Netorials. Лондонски сили. Възстановено от: chem.wisc.edu
7. Kamereon. (22 май 2013 г.). Гекони: Геконите и силите на Ван дер ваал. Възстановено от: almabiologica.com