Лондонская дисперсия и силы Ван-дер-Ваальса, уравнение

Силы Ван-дер-Ваальса представляют собой тип межмолекулярной силы, возникающей из-за диполь-дипольных взаимодействий. Лондонская дисперсионная сила является подтипом силы Ван-дер-Ваальса, которая преобладает в неполярных молекулах. Межмолекулярная сила - это сила, возникающая между двумя разными молекулами.

Все эти силы слабее, чем ионные и ковалентные связи. Они также действуют на небольшом расстоянии и слабее, чем дальше молекулы друг от друга.

Ниже мы рассмотрим как силы Ван-дер-Ваальса в целом, так и силы лондонской дисперсии.

Что такое силы Ван-дер-Ваальса?
Силы Ван-дер-Ваальса - это слабые силы между молекулами, возникающие из-за временных или постоянных диполей. Их также называют дисперсионными силами. Диполи (временные или постоянные) вызывают притяжение между молекулами.

Силы Ван-дер-Ваальса включают лондонские дисперсионные силы (обсуждаемые ниже), диполь-дипольные силы и ион-дипольные. Самая сильная из них - ионно-дипольная, за которой следует диполь-дипольная. Лондонская дисперсия - самая слабая сила.

Все молекулы испытывают лондонские дисперсионные силы. Однако это единственная межмолекулярная сила (IMF), присутствующая в неполярных молекулах. В полярных молекулах доминируют другие IMF, поэтому, хотя лондонские дисперсионные силы присутствуют, они могут не упоминаться.

Ван-дер-ваальсовы взаимодействия названы в честь Йоханнеса Дидерика ван-дер-Ваальса. Ван-дер-Ваальс был первым, кто предложил межмолекулярные силы в качестве причины свойств определенных молекул.

Лондонская дисперсионная сила

Лондонская дисперсионная сила возникает между двумя молекулами из-за временного диполя. Сила возникает из-за неравномерного распределения электронов, что вызывает временный диполь. В среднем электроны распределены равномерно, но в любом случае они могут быть сгруппированы на одной стороне молекулы. Эта кластеризация вызывает мгновенный диполь. Мгновенный диполь может вызвать образование временного диполя на окружающих молекулах. Диполи на каждой молекуле затем оказывают силу друг на друга.

Это самый слабый тип межмолекулярного взаимодействия.

Чем больше электронное облако вокруг молекулы, тем сильнее мгновенный диполь и, следовательно, сила притяжения. Это можно увидеть в тенденции температуры плавления и температуры кипения для галогенов.

Галоген Температура плавления (К)
F2          53.5
Глава 2  171.6
Br2        265.9
Я 2        386.8

Таблица температур плавления галогенов. Повышение температуры плавления показывает влияние более сильных лондонских дисперсионных сил.
По мере увеличения размера электронного облака молекулы (перемещение вниз по строкам периодической таблицы) температура плавления увеличивается. Повышенная температура плавления указывает на более сильные силы, которые необходимо преодолеть между молекулами.

Притяжение также будет сильнее для более длинной, более растянутой молекулы, чем для компактной молекулы. Растянутая молекула обладает большей поляризуемостью и контактирует с окружающими молекулами.

Компактная молекула против растянутой молекулы для лондонских дисперсионных сил
Красная молекула будет иметь более сильные лондонские дисперсионные силы из-за своей длины по сравнению с компактной синей молекулой с тем же числом атомов. Чем больше длина, тем больше расстояние для перемещения электрона и создания более сильного диполя.

Мы знаем, что эти силы должны существовать, потому что существуют неполярные молекулы, которые являются жидкими при комнатной температуре. Если бы между ними не было межмолекулярных сил, они были бы газами.

Примеры задач
Какая молекула будет иметь большие силы IMF: бром или фтор?

Правильный ответ - бром. Обе молекулы неполярны, поэтому основным фактором являются лондонские дисперсионные силы. Бром будет обладать большей поляризуемостью из-за наличия большего количества электронов, чем фтор.

Какая молекула будет иметь большие лондонские дисперсионные силы: метан (CH4) или гексан (C6h14)?
Правильный ответ - гексан. У гексана будут большие лондонские дисперсионные силы, потому что молекула больше (с точки зрения атомов) и более распространена (может стать более поляризованной).

Van der Waals Equation
Уравнение Ван-дер-Ваальса изменяет закон идеального газа для учета слабых межмолекулярных сил. Межмолекулярные силы корректируются путем добавления 2 / V2 к члену давления. Другой поправочный термин учитывает объем молекул

Уравнение Ван-дер-Ваальса для межмолекулярных сил
ФОТО уравнения наверху статьи
P = давление
V = Объем
n = Моли газа
R = постоянная идеального газа
T = температура
a = поправочный коэффициент газовой константы (специфичный для каждого газа)
b = поправочный коэффициент газовой постоянной для размера

История лондонских дисперсионных сил
Лондонские дисперсионные силы названы в честь немецкого физика Фрица Лондона (1900-1954). Хотя он родом из Германии, он уехал в 1933 году и поступил в Оксфордский университет. Затем в 1939 году принял должность в Университете Дьюка. Там он также внес большой вклад в развитие квантовой механики.