กองกำลังลอนดอน: ลักษณะและตัวอย่าง - เคมี

กองกำลังลอนดอน , ลอนดอนกองกำลังกระจายหรือเหนี่ยวนำให้เกิดการปฏิสัมพันธ์-ขั้วขั้ว, เป็นชนิดที่อ่อนแอที่สุดของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล ชื่อนี้เกิดจากผลงานของนักฟิสิกส์ Fritz London และการศึกษาของเขาในสาขาฟิสิกส์ควอนตัม

กองกำลังลอนดอนอธิบายว่าโมเลกุลมีปฏิกิริยาอย่างไรกับโครงสร้างและอะตอมทำให้เขาไม่สามารถสร้างไดโพลถาวรได้ นั่นคือโดยพื้นฐานแล้วจะใช้กับโมเลกุลของอะโพลาร์หรือกับอะตอมที่แยกได้ของก๊าซมีตระกูล ไม่เหมือนกองกำลัง Van der Waals อื่น ๆ กองกำลังนี้ต้องการระยะทางที่สั้นมาก

ที่มา: Hadley Paul Garland ผ่าน Flickr

การเปรียบเทียบทางกายภาพที่ดีของกองกำลังลอนดอนสามารถพบได้ในการทำงานของระบบปิด Velcro (ภาพด้านบน) ด้วยการกดด้านหนึ่งของผ้าปักด้วยตะขอและอีกด้านหนึ่งด้วยเส้นใยจะสร้างแรงที่น่าดึงดูดซึ่งเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ของเนื้อผ้า

เมื่อปิดผนึกใบหน้าทั้งสองแล้วจะต้องออกแรงเพื่อต่อต้านการโต้ตอบของพวกเขา (ทำโดยนิ้วของเรา) เพื่อแยกออก เช่นเดียวกับโมเลกุล: ยิ่งมีขนาดใหญ่หรือแบนมากเท่าใดก็จะยิ่งมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลมากขึ้นในระยะทางที่สั้นมาก

อย่างไรก็ตามเป็นไปไม่ได้เสมอไปที่จะทำให้โมเลกุลเหล่านี้อยู่ใกล้กันมากพอที่จะทำให้เห็นปฏิสัมพันธ์ของมันได้

เมื่อเป็นเช่นนี้พวกเขาต้องการอุณหภูมิที่ต่ำมากหรือแรงกดดันสูงมาก เช่นกรณีของก๊าซ ในทำนองเดียวกันปฏิกิริยาประเภทนี้สามารถปรากฏในสารเหลว (เช่น n-hexane) และสารที่เป็นของแข็ง (เช่นไอโอดีน)

ลักษณะเฉพาะ

ที่มา: Gabriel Bolívar

โมเลกุลต้องมีลักษณะใดจึงจะโต้ตอบโดยใช้กองกำลังลอนดอน คำตอบคือใคร ๆ ก็ทำได้ แต่เมื่อมีโมเมนต์ไดโพลแบบถาวรปฏิสัมพันธ์ของไดโพล - ไดโพลมีผลเหนือกว่าการกระเจิงซึ่งมีส่วนน้อยมากต่อลักษณะทางกายภาพของสาร

ในโครงสร้างที่ไม่มีอะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงหรือมีการกระจายของประจุไฟฟ้าสถิตเป็นเนื้อเดียวกันไม่มีพื้นที่มากหรือบริเวณใดที่สามารถพิจารณาได้ว่ามีอิเล็กตรอนเข้มข้น (δ-) หรือไม่ดี (δ +)

ในกรณีเหล่านี้กองกำลังประเภทอื่น ๆ จะต้องเข้ามาแทรกแซงหรือกล่าวว่าสารประกอบจะมีอยู่ในเฟสของก๊าซเท่านั้นโดยไม่คำนึงถึงความดันหรือสภาวะอุณหภูมิที่ทำงานกับพวกมัน

การกระจายโหลดที่เป็นเนื้อเดียวกัน

อะตอมที่แยกได้สองอะตอมเช่นนีออนหรืออาร์กอนมีการกระจายของประจุที่เป็นเนื้อเดียวกัน สิ่งนี้สามารถเห็นได้ใน A ภาพบนสุด วงกลมสีขาวตรงกลางแสดงถึงนิวเคลียสสำหรับอะตอมหรือโครงกระดูกโมเลกุลสำหรับโมเลกุล การกระจายของประจุนี้ถือได้ว่าเป็นเมฆของอิเล็กตรอนสีเขียว

เหตุใดก๊าซมีตระกูลจึงสอดคล้องกับความเป็นเนื้อเดียวกันนี้? เนื่องจากพวกมันมีเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์ดังนั้นในทางทฤษฎีอิเล็กตรอนจึงควรสัมผัสถึงประจุที่น่าดึงดูดของนิวเคลียสเท่า ๆ กันในวงโคจรทั้งหมด

ในทางกลับกันสำหรับก๊าซอื่น ๆ เช่นอะตอมออกซิเจน (O) ชั้นของมันไม่สมบูรณ์ (ซึ่งสังเกตได้จากการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์) และบังคับให้สร้างโมเลกุลไดอะตอม O ₂เพื่อชดเชยการขาดนี้

วงกลมสีเขียวใน A อาจเป็นโมเลกุลเล็กหรือใหญ่ก็ได้ เมฆอิเล็กตรอนของมันโคจรรอบอะตอมทั้งหมดที่ประกอบกันขึ้นโดยเฉพาะกลุ่มที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากที่สุด รอบ ๆ อะตอมเหล่านี้เมฆจะมีความเข้มข้นและเป็นลบมากขึ้นในขณะที่อะตอมอื่น ๆ จะมีความบกพร่องทางอิเล็กทรอนิกส์

อย่างไรก็ตามเมฆนี้ไม่ได้เป็นแบบคงที่ แต่เป็นแบบไดนามิกดังนั้นในช่วงสั้น ๆ δ-และδ + จะก่อตัวขึ้นและจะเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าโพลาไรเซชัน

polarizability

ใน A เมฆสีเขียวแสดงถึงการกระจายตัวของประจุลบที่เป็นเนื้อเดียวกัน อย่างไรก็ตามแรงดึงดูดเชิงบวกที่กระทำโดยนิวเคลียสสามารถทำให้อิเล็กตรอนสั่นได้ สิ่งนี้ทำให้เกิดการเสียรูปของเมฆจึงสร้างพื้นที่δ-สีฟ้าและδ + เป็นสีเหลือง

โมเมนต์ไดโพลอย่างกะทันหันในอะตอมหรือโมเลกุลสามารถบิดเบือนเมฆอิเล็กตรอนที่อยู่ติดกัน กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือทำให้เกิดไดโพลที่เพื่อนบ้านอย่างกะทันหัน (B, ภาพบนสุด)

นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าพื้นที่δ-รบกวนเมฆที่อยู่ใกล้เคียงอิเล็กตรอนของมันจะรู้สึกได้ถึงแรงผลักจากไฟฟ้าสถิตและมุ่งไปที่ขั้วตรงข้ามโดยปรากฏเป็น. +

สังเกตว่าขั้วบวกอยู่ในแนวเดียวกับขั้วลบเช่นเดียวกับโมเลกุลที่มีโมเมนต์ไดโพลถาวรทำอย่างไร ยิ่งเมฆอิเล็กตรอนมีขนาดใหญ่เท่าใดนิวเคลียสก็จะทำให้มันเป็นเนื้อเดียวกันในอวกาศได้ยากขึ้น และยิ่งไปกว่านั้นความผิดปกติของมันก็ยิ่งมากขึ้นดังที่เห็นได้ใน C.

ดังนั้นอะตอมและโมเลกุลขนาดเล็กจึงมีโอกาสน้อยที่จะถูกโพลาไรซ์จากอนุภาคใด ๆ ในสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างสำหรับสถานการณ์นี้จะแสดงโดยโมเลกุลเล็ก ๆ ของไฮโดรเจน H 2

เพื่อให้มันควบแน่นหรือตกผลึกได้มากขึ้นจำเป็นต้องมีแรงกดดันมากเกินไปเพื่อบังคับให้โมเลกุลของมันมีปฏิสัมพันธ์ทางร่างกาย

มันแปรผกผันกับระยะทาง

แม้ว่าไดโพลจะเกิดขึ้นในทันทีซึ่งชักนำให้ผู้อื่นอยู่รอบตัว แต่ก็ไม่เพียงพอที่จะยึดอะตอมหรือโมเลกุลไว้ด้วยกัน

ใน B มีระยะทาง d ที่แยกเมฆสองก้อนกับนิวเคลียสทั้งสอง เพื่อให้ไดโพลทั้งสองสามารถคงอยู่ได้ในช่วงเวลาหนึ่งระยะทาง d นี้จะต้องน้อยมาก

เงื่อนไขนี้ซึ่งเป็นลักษณะสำคัญของกองกำลังลอนดอน (โปรดจำไว้ว่าการปิดเวลโคร) จะต้องได้รับการปฏิบัติตามเพื่อให้มีผลอย่างชัดเจนต่อคุณสมบัติทางกายภาพของสสาร

เมื่อ d มีขนาดเล็กนิวเคลียสทางซ้ายของ B จะเริ่มดึงดูดพื้นที่สีน้ำเงินของอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียง สิ่งนี้จะทำให้เมฆเสียรูปไปอีกดังที่เห็นใน C (แกนกลางไม่อยู่ตรงกลางอีกต่อไป แต่ไปทางขวา) จากนั้นมีจุดที่เมฆทั้งสองสัมผัสและ "ตีกลับ" แต่ช้าพอที่จะจับพวกมันเข้าหากันสักพัก

ดังนั้นกองกำลังของลอนดอนจึงแปรผกผันกับระยะทาง d ในความเป็นจริงตัวประกอบมีค่าเท่ากับ d ⁷ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในระยะห่างระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลทั้งสองจะทำให้การกระเจิงของลอนดอนอ่อนลงหรือแข็งแรงขึ้น

มันเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลโมเลกุล

วิธีเพิ่มขนาดของเมฆเพื่อให้โพลาไรซ์ได้ง่ายขึ้น? การเพิ่มอิเล็กตรอนและนิวเคลียสจะต้องมีโปรตอนและนิวตรอนมากขึ้นจึงทำให้มวลอะตอมเพิ่มขึ้น หรือเพิ่มอะตอมเข้าไปในกระดูกสันหลังของโมเลกุลซึ่งจะทำให้มวลโมเลกุลเพิ่มขึ้น

ด้วยวิธีนี้นิวเคลียสหรือโครงกระดูกโมเลกุลจะมีโอกาสน้อยที่จะทำให้เมฆอิเล็กตรอนสม่ำเสมอตลอดเวลา ดังนั้นยิ่งวงกลมสีเขียวที่พิจารณาใน A, B และ C มีขนาดใหญ่เท่าไหร่ก็จะยิ่งมีการแบ่งขั้วได้มากขึ้นและกองกำลังลอนดอนก็จะยิ่งมีปฏิสัมพันธ์กันมากขึ้นด้วย

ผลกระทบนี้สังเกตได้อย่างชัดเจนระหว่าง B และ C และอาจมากกว่านั้นได้หากวงกลมมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า การให้เหตุผลนี้เป็นกุญแจสำคัญในการอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพของสารประกอบหลายชนิดตามมวลโมเลกุล

ตัวอย่างของกองกำลังลอนดอน

ที่มา: pxhere

ในธรรมชาติ

ในชีวิตประจำวันมีตัวอย่างจำนวนนับไม่ถ้วนของกองกำลังกระจายตัวของลอนดอนโดยไม่จำเป็นต้องเข้าไปอยู่ในโลกของกล้องจุลทรรศน์ตั้งแต่แรก

หนึ่งในตัวอย่างที่พบบ่อยและน่าประหลาดใจที่สุดพบได้ในขาของสัตว์เลื้อยคลานที่เรียกว่าตุ๊กแก (ภาพบนสุด) และในแมลงหลายชนิด (เช่นเดียวกับสไปเดอร์แมน)

ที่ขาของพวกเขามีแผ่นรองซึ่งมีเส้นใยขนาดเล็กหลายพันเส้นยื่นออกมา ในภาพคุณจะเห็นตุ๊กแกวางอยู่บนเนินหิน เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ใช้แรงระหว่างโมเลกุลระหว่างหินและเส้นใยของขาของมัน

เส้นใยแต่ละเส้นเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวที่สัตว์เลื้อยคลานตัวเล็กปีนอย่างอ่อน ๆ แต่เนื่องจากมีหลายพันตัวพวกมันจึงออกแรงตามสัดส่วนกับบริเวณขาของมันแข็งแรงพอที่จะเกาะติดและสามารถปีนขึ้นไปได้ ตุ๊กแกยังสามารถปีนพื้นผิวที่เรียบและสมบูรณ์แบบเช่นแก้ว

แอลเคน

Alkanes เป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่มีปฏิกิริยากับกองกำลังของลอนดอน โครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยคาร์บอนและไฮโดรเจนที่เชื่อมด้วยพันธะเดี่ยว เนื่องจากความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่าง C และ H มีขนาดเล็กมากจึงเป็นสารประกอบอะโพลาร์

ดังนั้นมีเทน CH ₄ซึ่งเป็นไฮโดรคาร์บอนที่เล็กที่สุดของทั้งหมดเดือดที่-161.7ºC เมื่อเพิ่ม C และ H เข้าไปในโครงกระดูกจึงได้แอลเคนอื่น ๆ ที่มีมวลโมเลกุลสูงกว่า

ด้วยวิธีนี้อีเทน (-88.6ºC) บิวเทน (-0.5ºC) และออกเทน (125.7ºC) จะเกิดขึ้น สังเกตว่าจุดเดือดของพวกมันเพิ่มขึ้นอย่างไรเมื่อแอลเคนหนักขึ้น

เนื่องจากเมฆอิเล็กทรอนิกส์ของพวกมันมีขั้วได้มากกว่าและโครงสร้างของมันมีพื้นที่ผิวมากขึ้นซึ่งจะเพิ่มการสัมผัสระหว่างโมเลกุลของมัน

ออกเทนแม้ว่าจะเป็นสารประกอบอะโพลาร์ แต่ก็มีจุดเดือดสูงกว่าน้ำ

ฮาโลเจนและก๊าซ

กองกำลังของลอนดอนยังมีอยู่ในสารก๊าซหลายชนิด ตัวอย่างเช่นโมเลกุลของ N ₂ , H ₂ , CO ₂ , F ₂ , Cl ₂และก๊าซมีตระกูลทั้งหมดมีปฏิสัมพันธ์ผ่านกองกำลังเหล่านี้เนื่องจากมีการกระจายตัวของไฟฟ้าสถิตที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งสามารถผ่านไดโพลในทันทีและนำไปสู่โพลาไรซ์

ก๊าซมีตระกูล ได้แก่ He (ฮีเลียม), Ne (นีออน), Ar (อาร์กอน), Kr (คริปทอน), Xe (ซีนอน) และ Rn (เรดอน) จากซ้ายไปขวาจุดเดือดจะเพิ่มขึ้นตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น: -269, -246, -186, -152, -108 และ -62 ºC

ฮาโลเจนยังโต้ตอบผ่านกองกำลังเหล่านี้ ฟลูออรีนเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้องเช่นเดียวกับคลอรีน โบรมีนที่มีมวลอะตอมสูงกว่าพบได้ในสภาวะปกติเป็นของเหลวสีแดงและในที่สุดไอโอดีนจะกลายเป็นของแข็งสีม่วงที่ระเหิดอย่างรวดเร็วเนื่องจากหนักกว่าฮาโลเจนอื่น ๆ

อ้างอิง

Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, p 452-455.
แองเจลิสเมนเดซ (22 พฤษภาคม 2555). กองกำลังกระจาย (จากลอนดอน) สืบค้นจาก: quimica.laguia2000.com
กองกำลังกระจายลอนดอน สืบค้นจาก: chem.purdue.edu
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 มิถุนายน 2561). 3 ประเภทของแรงระหว่างโมเลกุล ดึงมาจาก: thoughtco.com
Ryan Ilagan และ Gary L Bertrand การโต้ตอบการกระจายตัวของลอนดอน นำมาจาก: chem.libretexts.org
ChemPages Netorials กองกำลังลอนดอน ดึงมาจาก: chem.wisc.edu
Kamereon (22 พฤษภาคม 2556). ตุ๊กแก: ตุ๊กแกและกองกำลังของ Van der waals สืบค้นจาก: almabiologica.com

กองกำลังลอนดอน: ลักษณะและตัวอย่าง - เคมี - 2025