Caratteristiche ed esempi delle forze di Londra

il forze di LondraLe forze di dispersione di Londra o le interazioni dipolo-dipolo indotte sono il tipo più debole di interazioni intermolecolari. Il suo nome è dovuto ai contributi del fisico Fritz London e ai suoi studi nel campo della fisica quantistica.

Le forze di Londra spiegano come interagiscono le molecole le cui strutture e atomi rendono impossibile la formazione di un dipolo permanente; cioè, si applica fondamentalmente alle molecole apolari o agli atomi isolati dei gas nobili. A differenza delle altre forze di Van der Waals, richiede distanze estremamente brevi.

Una buona analogia fisica delle forze di Londra può essere trovata nel funzionamento del sistema di chiusura in velcro (immagine in alto). Premendo un lato del tessuto ricamato con ganci e l'altro con fibre, si crea una forza di attrazione proporzionale all'area dei tessuti.

Una volta che entrambe le parti sono sigillate, è necessario esercitare una forza per neutralizzare le loro interazioni (eseguite dalle nostre dita) per separarle. Lo stesso vale per le molecole: più voluminose o piatte sono, maggiore è la loro interazioni intermolecolari a distanze molto brevi.

Tuttavia, non è sempre possibile approssimare queste molecole ad una distanza abbastanza vicina da rendere apprezzabili le loro interazioni.

Quando questo è il caso, richiedono temperature molto basse o pressioni molto elevate; come tale è il caso dei gas. Inoltre, questo tipo di interazioni può essere presente in sostanze liquide (come n-esano) e solidi (come lo iodio).

indice

• 1 caratteristiche
  • 1.1 Distribuzione uniforme del carico
  • 1.2 Polarizzabilità
  • 1.3 È inversamente proporzionale alla distanza
  • 1.4 E 'direttamente proporzionale alla massa molecolare
• 2 Esempi di forze di Londra
  • 2.1 Nella natura
  • 2.2 Alcani
  • 2.3 Alogeni e gas
• 3 riferimenti

lineamenti

Quali caratteristiche deve avere una molecola in modo che possa interagire attraverso le forze di Londra? La risposta è che chiunque potrebbe farlo, ma quando c'è un momento di dipolo permanente, le interazioni dipolo-dipolo predominano più delle interazioni di dispersione, contribuendo molto poco alla natura fisica delle sostanze.

Nelle strutture in cui non ci sono atomi altamente elettronegativi o la cui distribuzione di carica elettrostatica è omogenea, non vi è alcuna estremità o regione che possa essere considerata ricca (δ-) o povera (δ +) negli elettroni.

In questi casi, un altro tipo di forze deve intervenire o altrimenti questi composti potrebbero esistere solo nella fase gassosa, indipendentemente da quali condizioni di pressione o temperatura operano su di essi.

Distribuzione omogenea del carico

Due atomi isolati, come il neon o l'argon, hanno distribuzione di carica omogenea. Questo può essere visto in A, immagine in alto. I cerchi bianchi al centro rappresentano i nuclei, per gli atomi, o lo scheletro molecolare, per le molecole. Tale distribuzione di carica può essere considerata come una nuvola di elettroni di colore verde.

Perché i gas nobili soddisfano questa omogeneità? Perché hanno il loro strato elettronico completamente riempito, quindi i loro elettroni devono teoricamente sentire la carica di attrazione del nucleo in tutti gli orbitali allo stesso modo.

In contrasto con altri gas, come l'ossigeno atomico (O), il suo strato è incompleto (che si osserva nella sua configurazione elettronica) e lo costringe a formare la molecola biatomica O₂ per compensare questa carenza.

I cerchi verdi di A possono anche essere molecole, piccole o grandi. La sua nuvola di elettroni orbita intorno a tutti gli atomi che lo compongono, specialmente sul più elettronegativo. Attorno a questi atomi la nuvola si concentrerà e sarà più negativa, mentre gli altri atomi avranno una carenza elettronica.

Tuttavia, questa nuvola non è statica ma dinamica, quindi ad un certo punto ci saranno brevi regioni δ- e δ +, e un fenomeno chiamato polarizzazione.

polarizzabilità

In A, la nuvola verde indica una distribuzione omogenea della carica negativa. Tuttavia, la forza di attrazione positiva esercitata dal nucleo può oscillare sugli elettroni. Ciò causa una deformazione della nuvola creando così le regioni δ-, blu e δ +, giallo.

Questo improvviso momento di dipolo nell'atomo o nella molecola può distorcere una nuvola elettronica adiacente; in altre parole, induce un improvviso dipolo sul suo vicino (B, immagine in alto).

Questo perché la regione δ- disturba la nuvola vicina, i suoi elettroni sentono la repulsione elettrostatica e sono orientati al polo opposto, apparendo δ +.

Nota come si allineano i poli positivo e negativo, così come le molecole con momenti di dipolo permanente. Più voluminosa è la nuvola elettronica, più difficile sarà il nucleo che lo manterrà omogeneo nello spazio; e inoltre, maggiore è la deformazione della stessa, come visto in C.

Pertanto, è più improbabile che gli atomi e le piccole molecole siano polarizzati da qualsiasi particella nel loro ambiente. Un esempio di questa situazione è illustrato dalla piccola molecola di idrogeno, H₂.

Per condensare, o anche di più, cristallizzare, ha bisogno di pressioni esorbitanti per forzare le sue molecole ad interagire fisicamente.

È inversamente proporzionale alla distanza

Anche se si formano dei dipoli istantanei che inducono gli altri intorno a loro, non sono abbastanza per tenere insieme gli atomi o le molecole.

In B c'è una distanza d che separa le due nuvole e i loro due nuclei. In modo che entrambi i dipoli possano rimanere per un tempo considerato, questa distanza d Deve essere molto piccolo.

Questa condizione deve essere soddisfatta, una caratteristica essenziale delle forze di Londra (ricorda la chiusura in velcro), in modo che abbia un effetto notevole sulle proprietà fisiche del materiale.

una volta d essere piccolo, il nucleo della sinistra in B inizierà ad attrarre la regione blu δ- dell'atomo o molecola adiacente. Ciò deformerà ulteriormente la nuvola, come si vede in C (il nucleo non è più al centro ma a destra). Poi, arriva un punto in cui entrambe le nuvole si toccano e "rimbalzano", ma abbastanza lentamente da averle unite per un po '.

Pertanto, le forze di Londra sono inversamente proporzionali alla distanza d. In realtà, il fattore è uguale a d⁷, in modo che una minima variazione della distanza tra entrambi gli atomi o le molecole indebolirà o rafforzerà la dispersione di Londra.

È direttamente proporzionale alla massa molecolare

Come aumentare la dimensione delle nuvole in modo che si polarizzino più facilmente? Aggiungendo elettroni, e per questo il nucleo deve avere più protoni e neutroni, aumentando così la massa atomica; oppure, aggiungendo atomi allo scheletro della molecola, che a sua volta aumenterebbe la sua massa molecolare

In questo modo, i nuclei o lo scheletro molecolare sarebbero meno propensi a mantenere la nube elettronica uniforme per tutto il tempo. Pertanto, più grandi sono i cerchi verdi considerati in A, B e C, più saranno polarizzabili e maggiori saranno le loro interazioni da parte delle forze di Londra.

Questo effetto è chiaramente osservato tra B e C, e potrebbe essere ancora di più se i cerchi fossero di diametro maggiore. Questo ragionamento è fondamentale per spiegare le proprietà fisiche di molti composti in base alle loro masse molecolari.

Esempi di forze di Londra

Nella natura

Nella vita di tutti i giorni ci sono innumerevoli esempi delle forze di dispersione di Londra senza la necessità di avventurarsi, in prima istanza, nel mondo microscopico.

Uno degli esempi più comuni e sorprendenti, si trova nelle gambe di rettili conosciuti come gechi (immagine in alto) e in molti insetti (anche in Spiderman).

Nelle loro gambe hanno pads di cui fuoriescono migliaia di piccoli filamenti. Nell'immagine puoi vedere un geco che si posa sul pendio di una roccia. Per ottenere ciò, fa uso delle forze intermolecolari tra la roccia e i filamenti delle sue gambe.

Ognuno di questi filamenti interagisce debolmente con la superficie su cui si arrampica il piccolo rettile, ma poiché sono migliaia di essi, esercitano una forza proporzionale all'area delle loro gambe, abbastanza forte da rimanere attaccata e in grado di arrampicarsi. I gechi sono anche in grado di scalare superfici lisce e perfette come quelle dei cristalli.

alcani

Gli alcani sono idrocarburi saturi che interagiscono anche con le forze di Londra. Le loro strutture molecolari consistono semplicemente in carboni e idrogeno legati da legami semplici. Dato che la differenza di elettronegatività tra C e H è molto piccola, sono composti apolari.

Quindi, metano, CH₄, il più piccolo idrocarburo di tutti, bolle a -161.7ºC. Quando C e H vengono aggiunti allo scheletro, si ottengono altri alcani con masse molecolari più elevate.

In questo modo sorgono etano (-88,6ºC), butano (-0,5ºC) e ottano (125,7ºC). Nota come i punti di ebollizione aumentano man mano che gli alcheni diventano più pesanti.

Questo perché le loro nuvole elettroniche sono più polarizzabili e le loro strutture hanno una superficie maggiore che aumenta il contatto tra le loro molecole.

L'ottano, sebbene sia un composto apolare, ha un punto di ebollizione più alto dell'acqua.

Alogeni e gas

Le forze di Londra sono presenti anche in molte sostanze gassose. Ad esempio, N molecole₂, H₂, CO₂, F₂, Cl₂ e tutti i gas nobili interagiscono con queste forze, poiché presentano una distribuzione elettrostatica omogenea, che può subire dipoli istantanei e dare luogo a polarizzazioni.

I gas nobili sono He (elio), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), Xe (xenon) e Rn (radon). Da sinistra a destra, i suoi punti di ebollizione aumentano con l'aumento delle masse atomiche: -269, -246, -186, -152, -108 e -62 ºC.

Gli alogeni interagiscono anche attraverso queste forze. Il fluoro è un gas a temperatura ambiente, proprio come il cloro.Il bromo, con una maggiore massa atomica, è in condizioni normali come un liquido rossastro, e lo iodio, infine, forma un solido viola che sublima rapidamente perché è più pesante degli altri alogeni.

riferimenti

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chimica. (8 ° ed.). Apprendimento CENGAGE, p 452-455.
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