כוחות לונדון: מאפיינים ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

הכוחות בלונדון , כוחות הפיזור בלונדון או אינטראקציות דיפול דיפול המושרה, הם הסוג החלש של אינטראקציות מולקולאריים. שמו נובע מתרומתו של הפיזיקאי פריץ לונדון ומחקריו בתחום הפיזיקה הקוונטית.

כוחות לונדון מסבירים כיצד מולקולות אינטראקציות שבין מבניהן והאטומים שלה לא מאפשרים לו ליצור דיפול קבוע; כלומר, זה חל באופן בסיסי על מולקולות אפולריות או על אטומים מבודדים של גזים אצילים. בניגוד לכוחות האחרים של ואן דר וואלס, זה דורש מרחקים קצרים במיוחד.

מקור: הדלי פול גרלנד דרך פליקר

אנלוגיה פיזית טובה של כוחות לונדון ניתן למצוא בהפעלת מערכת הסגירה של הוולקרו (תמונה למעלה). על ידי לחיצה על צד אחד של הבד הרקום באמצעות ווים, והשני עם הסיבים, נוצר כוח אטרקטיבי שהוא פרופורציונאלי לאזור הבדים.

ברגע ששני הפנים אטומים, יש להפעיל כוח כדי לנטרל את האינטראקציות שלהם (שנעשו על ידי אצבעותינו) כדי להפריד ביניהם. הדבר נכון גם לגבי מולקולות: ככל שהם נפחיים או שטוחים יותר, כך האינטראקציות הבין-מולקולריות שלהם גדלות במרחקים קצרים מאוד.

עם זאת, לא תמיד ניתן לקרב את המולקולות הללו די בכדי שניתן יהיה להבחין באינטראקציות שלהן.

כאשר זהו הדבר, הם זקוקים לטמפרטורות נמוכות מאוד או לחצים גבוהים מאוד; ככזה הוא המקרה של גזים. באופן דומה, סוגים אלו של אינטראקציות יכולים להימצא בחומרים נוזליים (כמו n-hexane) ובחומרים מוצקים (כגון יוד).

מאפיינים

מקור: גבריאל בוליבר

אילו מאפיינים חייבים להיות למולקולה בכדי שהיא תתקשר עם כוחות לונדון? התשובה היא שכל אחד יכול לעשות את זה, אך כאשר יש רגע דיפול קבוע, אינטראקציות דיפול-דיפול שולטות יותר מאשר פיזור אלו, ותורמות מעט מאוד לאופי הפיזי של חומרים.

במבנים בהם אין אטומים אלקטרונגטיביים ביותר או שחלוקת המטען האלקטרוסטטי שלהם הומוגנית, אין קיצון או אזור שיכולים להיחשב עשירים (δ-) או עניים (δ +) באלקטרונים.

במקרים אלה, סוגים אחרים של כוחות חייבים להתערב או אחרת תרכובות אלה יכולות להתקיים רק בשלב הגז, ללא קשר לתנאי הלחץ או הטמפרטורה הפועלים עליהם.

חלוקת עומס הומוגנית

לשני אטומים מבודדים, כמו ניאון או ארגון, יש חלוקת מטען הומוגנית. ניתן לראות זאת בתמונה העליונה. העיגולים הלבנים במרכז מייצגים את הגרעינים, עבור אטומים, או את השלד המולקולרי, עבור מולקולות. ניתן לראות בחלוקת מטען זו כענן של אלקטרונים ירוקים.

מדוע גזים אצילים עומדים בהומוגניות זו? מכיוון שיש להם מעטפת אלקטרונית מלאה לחלוטין, לכן האלקטרונים שלהם צריכים להרגיש תיאורטית את המטען האטרקטיבי של הגרעין באופן שווה בכל האורביטלים.

לעומת זאת, עבור גזים אחרים, כמו חמצן אטומי (O), שכבתו אינה שלמה (הנצפית בתצורה האלקטרונית שלה) ומאלצת אותה ליצור את המולקולה O הדיאטומית O ₂ כדי לפצות על מחסור זה.

העיגולים הירוקים ב- A יכולים להיות גם מולקולות, קטנות או גדולות. ענן האלקטרונים שלו מקיף את כל האטומים המרכיבים אותו, ובמיוחד אלה האלקטרונגטיביים ביותר. סביב האטומים הללו הענן יהפוך למרוכז ושלילי יותר, בעוד שלאטומים אחרים יהיה מחסור אלקטרוני.

עם זאת, ענן זה אינו סטטי אלא דינאמי, כך שבשלב מסוים ייווצרו אזורים קצרים ו- δ + ותופעה הנקראת קיטוב.

קיטוב

ב- A הענן הצבעוני הירוק מציין חלוקה הומוגנית של מטען שלילי. עם זאת, הכוח האטרקטיבי החיובי שמפעיל הגרעין יכול לתנוד על האלקטרונים. זה גורם לעיוות של הענן ובכך נוצר אזורים δ-, בכחול ו- δ +, בצהוב.

רגע הדיפול הפתאומי הזה באטום או במולקולה יכול לעוות ענן אלקטרונים סמוך; במילים אחרות, זה גורם לדיפול פתאומי על שכנתו (B, תמונה עליונה).

זה נובע מהעובדה שהאזור δ מפריע לענן השכן, האלקטרונים שלו חשים דחייה אלקטרוסטטית ומכוונים לקוטב הנגדי, ונראים δ +.

שימו לב כיצד הקטבים החיוביים מתיישרים עם אלו השליליים, ממש כמו שמולקולות עם רגעים דיפוליים קבועים. ככל שענן האלקטרונים נפוץ יותר, הגרעין יהיה קשה יותר לשמור עליו הומוגני בחלל; ובנוסף, עיוותו גדול יותר, כפי שניתן לראות ב- C.

לכן אטומים ומולקולות קטנות נוטים פחות לקוטב על ידי חלקיק כלשהו בסביבתם. דוגמה למצב זה ממחישה את המולקולה הקטנה של מימן, H ₂ .

כדי שהוא יתעבה, או אפילו יותר להתגבש, הוא זקוק ללחצים מופקעים בכדי להכריח את המולקולות שלו לאינטראקציה גופנית.

זה ביחס הפוך למרחק

למרות שנוצרים דיפולנים מיידיים המגורמים אחרים סביבם, הם לא מספיקים להחזיק את האטומים או המולקולות יחד.

ב B יש מרחק d המפריד בין שני העננים ושני הגרעינים שלהם. כך ששני הדיפולים יכולים להישאר למשך זמן נחשב, המרחק הזה חייב להיות קטן מאוד.

יש למלא את התנאי הזה, מאפיין מהותי של כוחות לונדון (זכרו את סגירת הוולקרו) כדי להשפיע באופן בולט על התכונות הפיזיקליות של החומר.

ברגע ש d קטן, הגרעין משמאל ב B יתחיל למשוך את האזור הכחול- של האטום או המולקולה השכנה. זה יעוות עוד יותר את הענן, כפי שניתן לראות ב- C (הליבה כבר לא במרכז אלא מימין). ואז, מגיעה נקודה בה שתי העננות נוגעות ו"ניתרות ", אך איטיות מספיק בכדי להחזיק אותן יחד לזמן מה.

לפיכך, כוחות לונדון עומדים ביחס הפוך למרחק ד. למעשה, הגורם שווה ל- d ⁷ , ולכן שונות קלה בין המרחק בין שני האטומים או המולקולות תחליש או תחזק את פיזור לונדון.

הוא פרופורציונלי ישירות למסה המולקולרית

כיצד להגדיל את גודל העננים כך שהם יקטבו בקלות רבה יותר? הוספת אלקטרונים, ובשביל זה הגרעין צריך להיות יותר פרוטונים ונויטרונים, ובכך להגדיל את המסה האטומית; או הוספת אטומים ל עמוד השדרה של המולקולה, מה שבתורו יגדיל את המסה המולקולרית שלו

בדרך זו, הגרעין או השלד המולקולרי נוטים פחות לשמור על ענן האלקטרונים אחיד כל הזמן. לפיכך, ככל שהמעגלים הירוקים הגדולים יותר שנחשבים ב- A, B ו- C הם גדולים יותר, כך הם יהיו קוטבים יותר ויהיו גדולים יותר גם יחסי הגומלין שלהם בין כוחות לונדון.

השפעה זו נצפתה בבירור בין B ל- C, ויכולה להיות ביתר שאת אם המעגלים היו גדולים יותר בקוטר. הנמקה זו היא המפתח להסבר התכונות הפיזיקליות של תרכובות רבות על סמך המוני המולקולרי שלהן.

דוגמאות לכוחות לונדון

מקור: Pxhere

בטבע

בחיי היומיום יש אינספור דוגמאות לכוחות הפיזור של לונדון ללא צורך להסתכן מלכתחילה בעולם המיקרוסקופי.

אחת הדוגמאות הנפוצות והמפתיעות ביותר נמצאת ברגלי זוחלים המכונות שממיות (תמונה עליונה) ובחרקים רבים (גם בספיידרמן).

על רגליהם יש רפידות שמהן בולטות אלפי חוטים קטנים. בתמונה ניתן לראות שממית המתחזה על מדרון סלע. כדי להשיג זאת הוא עושה שימוש בכוחות הבין-מולקולריים בין הסלע לחוטי רגליו.

כל אחד מהחוטים הללו מתקיים באופן אינטראקטיבי עם פני השטח שעליהם מטפס הזוחל הקטן, אך מכיוון שיש אלפים מהם הם מפעילים כוח פרופורציונלי לאזור רגליהם, חזק מספיק כך שהם יישארו מחוברים ויכולים לטפס. שממיות מסוגלות גם לטפס על משטחים חלקים ומושלמים כמו זכוכית.

אלקנס

אלקנים הם פחמימנים רוויים שפועלים גם הם על ידי כוחות לונדון. המבנים המולקולריים שלהם פשוט מורכבים מפחמנים והידרוגנים שמצטרפים אליהם קשרים יחידים. מכיוון שההבדל ביחידות האלקטרוניות בין C ל- H הוא קטן מאוד, מדובר בתרכובות אפולריות.

לפיכך, מתאן, CH ₄ , הפחמימן הקטן מכל, רותח -161.7 מעלות צלזיוס. ככל שמתווספים C ו- H לשלד, מתקבלים אלקנים אחרים בעלי מסות מולקולריות גבוהות יותר.

באופן זה נוצרים אתאן (-88.6 מעלות צלזיוס), בוטאן (-0.5 מעלות צלזיוס) ואוקטן (125.7 מעלות צלזיוס). שימו לב כיצד נקודות הרתיחה שלהם גדלות ככל שהאלקנים נעשים כבדים יותר.

הסיבה לכך היא שהעננים האלקטרוניים שלהם ניתנים לקיטוב יותר ולמבנים שלהם שטח פנים גדול יותר המגדיל את המגע בין המולקולות שלהם.

אוקטן, אף שהוא תרכובת אפולרית, הוא בעל נקודת רתיחה גבוהה יותר מאשר מים.

הלוגנים וגזים

כוחות לונדון נמצאים גם בחומרים גזים רבים. לדוגמא, מולקולות N ₂ , H ₂ , CO ₂ , F ₂ , Cl ₂ וכל הגזים האציליים, עוברות אינטראקציה דרך כוחות אלה, מכיוון שהם מציגים חלוקה אלקטרוסטטית הומוגנית, שיכולה לעבור דיפולולים מיידיים ולהוביל לקיטוב.

הגזים האצילים הם הוא (הליום), נא (ניאון), אר (ארגון), קר (קריפטון), קס (קסנון) ורן (ראדון). משמאל לימין נקודות הרתיחה שלהם גדלות עם התגברות המוני האטום: -269, -246, -186, -152, -108 ו- -62 ºC.

הלוגנים מתקשרים גם הם באמצעות כוחות אלה. פלואור הוא גז בטמפרטורת החדר ממש כמו כלור. ברום, בעל מסה אטומית גבוהה יותר, נמצא בתנאים נורמליים כנוזל אדמדם, ויוד, בסופו של דבר, יוצר מוצק סגול העובר סובלימציה במהירות מכיוון שהוא כבד יותר משאר ההלוגנים.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE, עמ '452-455.
2. אנג'לס מנדז. (22 במאי 2012). כוחות פיזור (מלונדון). התאושש מ: quimica.laguia2000.com
3. כוחות הפיזור בלונדון. התאושש מ: chem.purdue.edu
4. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (22 ביוני 2018). 3 סוגים של כוחות בין-מולקולריים. התאושש מ: thoughtco.com
5. ריאן אילאגן וגארי ברטראנד. אינטראקציות פיזור בלונדון. נלקח מ: chem.libretexts.org
6. ChemPages Netorials. כוחות לונדון. התאושש מ: chem.wisc.edu
7. קמרון. (22 במאי 2013). שממיות: השממית והכוחות של ואן דר וואלס. התאושש מ: almabiologica.com