FORȚELE LONDONEZE: CARACTERISTICI ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2025

La Forțele Londra , forțele de dispersie Londra sau interacțiuni dipol induse de dipol, sunt cel mai slab tip de interacțiuni intermoleculare. Numele său se datorează contribuțiilor fizicianului Fritz London și studiilor sale în domeniul fizicii cuantice.

Forțele londoneze explică modul în care interacționează moleculele ale căror structuri și atomi fac imposibilă formarea unui dipol permanent; adică se aplică fundamental moleculelor apolare sau atomilor izolați ai gazelor nobile. Spre deosebire de celelalte forțe Van der Waals, aceasta necesită distanțe extrem de scurte.

Sursa: Hadley Paul Garland prin Flickr

O analogie fizică bună a forțelor londoneze poate fi găsită în funcționarea sistemului de închidere Velcro (imaginea de mai sus). Prin apăsarea unei părți a țesăturii brodate cu cârlige, iar cealaltă cu fibre, se creează o forță atractivă care este proporțională cu zona țesăturilor.

Odată ce ambele fețe sunt sigilate, trebuie exercitată o forță pentru a contracara interacțiunile lor (realizate de degetele noastre) pentru a le separa. Același lucru este valabil și pentru molecule: cu cât sunt mai voluminoase sau plane, cu atât interacțiunile lor intermoleculare sunt la distanțe foarte scurte.

Cu toate acestea, nu este întotdeauna posibil să aducem aceste molecule suficient de aproape pentru ca interacțiunile lor să fie vizibile.

Când este așa, acestea necesită temperaturi foarte scăzute sau presiuni foarte mari; ca atare este cazul gazelor. De asemenea, aceste tipuri de interacțiuni pot fi prezente în substanțe lichide (cum ar fi n-hexan) și substanțe solide (cum ar fi iodul).

caracteristici

Sursa: Gabriel Bolívar

Ce caracteristici trebuie să aibă o moleculă pentru a putea interacționa folosind forțele londoneze? Răspunsul este că oricine ar putea să o facă, dar când există un moment dipol permanent, interacțiunile dipol-dipol predomină mai mult decât cele de împrăștiere, contribuind foarte puțin la natura fizică a substanțelor.

În structurile în care nu există atomi extrem de electronegativi sau a căror distribuție de sarcină electrostatică este omogenă, nu există extremă sau regiune care să poată fi considerată bogată (δ-) sau săracă (δ +) în electroni.

În aceste cazuri, alte tipuri de forțe trebuie să intervină sau altfel, numiții compuși pot exista doar în faza de gaz, indiferent de condițiile de presiune sau temperatură care funcționează asupra lor.

Distribuția omogenă a încărcăturii

Doi atomi izolați, cum ar fi neonul sau argonul, au o distribuție omogenă a sarcinii. Acest lucru poate fi văzut în imaginea A, de sus. Cercurile albe din centru reprezintă nucleele, pentru atomi sau scheletul molecular, pentru molecule. Această distribuție de încărcare poate fi considerată ca un nor de electroni verzi.

De ce gazele nobile respectă această omogenitate? Deoarece au o carcasă electronică complet plină, deci electronii lor ar trebui să simtă teoretic încărcarea atractivă a nucleului în mod egal în toate orbitalele.

Pe de altă parte, pentru alte gaze, cum ar fi oxigenul atomic (O), stratul său este incomplet (care se observă în configurația sa electronică) și îl obligă să formeze molecula diatomică O ₂ pentru a compensa această deficiență.

Cercurile verzi din A pot fi, de asemenea, molecule, mici sau mari. Norul său de electroni orbitează în jurul tuturor atomilor care îl compun, în special cei mai electronegativi. În jurul acestor atomi, norul va deveni mai concentrat și negativ, în timp ce alți atomi vor avea o deficiență electronică.

Totuși, acest nor nu este static, ci dinamic, astfel încât, la un moment dat, se vor forma regiuni scurte δ- și δ + și va apărea un fenomen numit polarizare.

polarizabilitatea

În A, norul colorat verde indică o distribuție omogenă a sarcinii negative. Cu toate acestea, forța atractivă pozitivă exercitată de nucleu poate oscila asupra electronilor. Aceasta provoacă o deformare a norului creând astfel regiuni δ-, în albastru și δ +, în galben.

Acest moment subit dipol în atom sau moleculă poate denatura un nor de electroni adiacent; cu alte cuvinte, induce un dipol brusc asupra vecinului său (B, imaginea de sus).

Acest lucru se datorează faptului că regiunea δ perturbă norul vecin, electronii săi simt repulsia electrostatică și sunt orientați către polul opus, apărând δ +.

Rețineți cum polii pozitivi se aliniază cu cei negativi, la fel cum o fac moleculele cu momente dipolice permanente. Cu cât norul de electroni este mai voluminos, cu atât nucleul îl va păstra omogen în spațiu; și în plus, cu atât deformarea este mai mare, așa cum se poate observa în C.

Prin urmare, atomii și moleculele mici sunt mai puțin susceptibile să fie polarizate de orice particulă din mediul lor înconjurător. Un exemplu pentru această situație este ilustrată de molecula mica de hidrogen, H ₂ .

Pentru ca acesta să se condenseze, sau chiar mai mult pentru a cristaliza, are nevoie de presiuni exorbitante pentru a forța moleculele sale să interacționeze fizic.

Este invers proporțională cu distanța

Deși se formează dipoli instantanee care îi induc pe alții din jurul lor, nu sunt suficiente pentru a ține atomii sau moleculele împreună.

În B există o distanță d care separă cei doi nori și cei doi nuclei ai acestora. Pentru ca ambele dipoli să rămână pentru un timp considerat, această distanță d trebuie să fie foarte mică.

Această condiție, o caracteristică esențială a forțelor londoneze (amintiți-vă de închiderea Velcro), trebuie îndeplinită pentru a avea un efect notabil asupra proprietăților fizice ale materiei.

Odată ce d este mic, nucleul din stânga în B va începe să atragă regiunea albastră a atomului sau moleculei vecine. Acest lucru va deforma și mai mult norul, așa cum se vede în C (miezul nu mai este în centru, ci în dreapta). Apoi, vine un punct în care ambii nori se ating și „se sar”, dar suficient de lent pentru a-i ține împreună un timp.

Prin urmare, forțele londoneze sunt invers proporționale cu distanța d. De fapt, factorul este egal cu d ⁷ , deci o ușoară variație a distanței dintre cei doi atomi sau molecule vor slăbi sau întări împrăștierea Londra.

Este direct proporțională cu masa moleculară

Cum să crești dimensiunea norilor, astfel încât să polarizeze mai ușor? Adăugarea electronilor și pentru asta nucleul trebuie să aibă mai mulți protoni și neutroni, crescând astfel masa atomică; sau, adăugând atomi la coloana vertebrală a moleculei, care la rândul său ar crește masa moleculară

În acest fel, nucleele sau scheletul molecular ar fi mai puțin probabil să mențină uniform norul de electroni tot timpul. Prin urmare, cu cât cercurile verzi sunt mai mari luate în considerare în A, B și C, cu atât vor fi mai polarizabile și cu atât mai mari vor fi interacțiunile lor de către forțele londoneze.

Acest efect este clar observat între B și C și ar putea fi cu atât mai mult dacă cercurile ar avea un diametru mai mare. Acest raționament este esențial pentru explicarea proprietăților fizice ale multor compuși pe baza masei lor moleculare.

Exemple de forțe londoneze

Sursa: Pxhere

În natură

În viața de zi cu zi există nenumărate exemple de forțe de dispersie ale Londrei, fără a fi nevoie să se aventureze în lumea microscopică în primul rând.

Unul dintre cele mai frecvente și surprinzătoare exemple se găsește la picioarele reptilelor cunoscute sub numele de geckos (imaginea de sus) și la multe insecte (de asemenea în Spiderman).

Pe picioarele lor au plăcuțe din care ies mii de filamente mici. În imagine puteți vedea un gecko pozând pe panta unei stânci. Pentru a obține acest lucru, folosește forțele intermoleculare dintre rocă și filamentele picioarelor sale.

Fiecare dintre aceste filamente interacționează slab cu suprafața pe care urcă reptila mică, dar, deoarece există mii de ele, acestea exercită o forță proporțională cu zona picioarelor lor, suficient de puternică, încât să rămână atașate și să poată urca. Gecoșii sunt, de asemenea, capabili să urce suprafețe netede și perfecte precum sticla.

alcani

Alcanii sunt hidrocarburi saturate care interacționează și de forțele londoneze. Structurile lor moleculare constau pur și simplu din carboni și hidrogeni uniți prin legături unice. Deoarece diferența de electronegativități între C și H este foarte mică, sunt compuși apolari.

Astfel, metan, CH ₄ , cea mai mică hidrocarbură din toate, fierbe la -161.7ºC. Pe măsură ce C și H sunt adăugați la schelet, se obțin alți alcani cu mase moleculare mai mari.

În acest fel, apar etan (-88,6 ºC), butan (-0,5 ºC) și octan (125,7 ºC). Observați cum punctele lor de fierbere cresc pe măsură ce alcanii devin mai grei.

Acest lucru se datorează faptului că norii lor electronici sunt mai polarizabili și structurile lor au o suprafață mai mare ceea ce crește contactul dintre moleculele lor.

Octanul, deși un compus apolar, are un punct de fierbere mai mare decât apa.

Halogeni și gaze

Forțele londoneze sunt prezente și în multe substanțe gazoase. De exemplu, moleculele de N ₂ , H ₂ , CO ₂ , F ₂ , Cl ₂ și toate gazele nobile interacționează prin aceste forțe, deoarece prezintă distribuție electrostatică omogenă, care poate suferi dipoli instantanei și duce la polarizări.

Gazele nobile sunt He (heliu), Ne (neon), Ar (argon), Kr (kripton), Xe (xenon) și Rn (radon). De la stânga la dreapta punctele lor de fierbere cresc odată cu creșterea masei atomice: -269, -246, -186, -152, -108 și -62 ºC.

Halogenii interacționează, de asemenea, prin aceste forțe. Fluorul este un gaz la temperatura camerei la fel ca clorul. Bromul, cu o masă atomică mai mare, se găsește în condiții normale ca un lichid roșiatic, iar iodul formează, în sfârșit, un solid purpuriu care se sublimează rapid, deoarece este mai greu decât ceilalți halogeni.

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Learning, p 452-455.
2. Angeles Mendez. (22 mai 2012). Forțele de dispersie (de la Londra). Recuperat din: quimica.laguia2000.com
3. Forțele de dispersie din Londra. Recuperat din: chem.purdue.edu
4. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (22 iunie 2018). 3 tipuri de forțe intermoleculare. Recuperat de la: thinkco.com
5. Ryan Ilagan și Gary L Bertrand. Interacțiuni de dispersie la Londra. Luat de la: chem.libretexts.org
6. ChemPages Netorials. Forțele din Londra. Recuperat din: chem.wisc.edu
7. Kamereon. (22 mai 2013). Geckos: Gecko și forțele lui Van der waals. Recuperat de la: almabiologica.com