Лондонская дисперсионная сила - London dispersion force

Энергия взаимодействия аргон димер. Дальний участок связан с лондонскими дисперсионными силами.

Лондонские силы рассеивания (LDF, также известен как рассеивающие силы, Лондонские силы, мгновенные дипольные дипольные силы, или свободно как силы Ван дер Ваальса) представляют собой тип силы, действующей между атомы и молекулы.^[1] Они являются частью силы Ван дер Ваальса. ЛДФ назван в честь немецкого физика. Фриц Лондон.

Введение

Распределение электронов вокруг атома или молекулы подвержено колебаниям во времени. Эти колебания создают мгновенные электрические поля, которые ощущаются другими соседними атомами и молекулами, которые, в свою очередь, регулируют пространственное распределение своих собственных электронов. В результате колебания положения электронов в одном атоме вызывают соответствующее перераспределение электронов в других атомах, так что движения электронов становятся коррелированными. Хотя подробная теория требует квантово-механического объяснения (увидеть квантовая теория дисперсионных сил ), эффект часто описывают как формирование мгновенные диполи это (когда разделено вакуум ) привлекают друг друга. Величина лондонской дисперсионной силы часто описывается одним параметром, называемым Постоянная Гамакера, обычно символизирует А. Для атомов, расположенных ближе друг к другу, чем длина волны света, взаимодействие по существу мгновенное и описывается в терминах «незамедлительной» постоянной Гамакера. Для сущностей, которые находятся дальше друг от друга, конечное время, необходимое для того, чтобы флуктуация одного атома ощущалась на втором атоме («замедление»), требует использования «запаздывающей» константы Гамакера.^[2]^[3]

Хотя лондонская дисперсионная сила между отдельными атомами и молекулами довольно мала и быстро уменьшается при разделении (р) любить ${ displaystyle { frac {1} {R ^ {6}}}}$ , в конденсированных средах (жидкостях и твердых телах) эффект кумулятивен по объему материалов^[4]или внутри органических молекул и между ними, так что лондонские дисперсионные силы могут быть довольно сильными в объемных твердых телах и жидкостях и гораздо медленнее затухать с расстоянием. Например, общая сила на единицу площади между двумя сыпучими материалами уменьшается на ${ displaystyle { frac {1} {R ^ {3}}}}$ ^[5] где р это разделение между ними. Эффекты лондонских дисперсионных сил наиболее очевидны в системах, которые очень неполярны (например, в которых отсутствуют ионные связи ), такие как углеводороды и высокосимметричные молекулы, такие как бром (Br_2,жидкость комнатной температуры) или йод (Я_2, твердое вещество при комнатной температуре). В углеводородах и воск, дисперсионных сил достаточно, чтобы вызвать конденсация из газовой фазы в жидкую или твердую фазу. Теплота сублимации, например, кристаллы углеводородов отражают дисперсионное взаимодействие. Сжижение газов кислорода и азота в жидкую фазу также определяется притягивающими силами Лондона.

Когда атомы / молекулы разделены третьей средой (а не вакуумом), ситуация становится более сложной. В водные растворы, эффекты дисперсионных сил между атомами или молекулами часто менее выражены из-за конкуренции с поляризуемыми растворитель молекулы. То есть мгновенные колебания одного атома или молекулы ощущаются как растворителем (водой), так и другими молекулами.

Более крупные и тяжелые атомы и молекулы обладают более сильными дисперсионными силами, чем более мелкие и легкие.^[6] Это связано с увеличением поляризуемость молекул с более крупными, более дисперсными электронные облака. Поляризуемость - это мера того, насколько легко электроны могут перераспределяться; большая поляризуемость означает, что электроны легче перераспределяются. Примером этой тенденции является галогены (от наименьшего к наибольшему: F₂, Cl₂, Br₂, Я₂). Такое же увеличение дисперсионного притяжения происходит внутри и между органическими молекулами в порядке RF, RCl, RBr, RI (от наименьшего к наибольшему) или с другими более поляризуемыми молекулами. гетероатомы.^[7] Фтор и хлор находятся газы при комнатной температуре бром - жидкость, а йод - твердое вещество. Считается, что силы Лондона возникают из-за движения электронов.

Квантовая механическая теория

Первое объяснение притяжения между атомами благородных газов было дано Фрицем Лондоном в 1930 году.^[8]^[9]^[10] Он использовал квантово-механическую теорию, основанную на теория возмущений второго порядка. Возмущение происходит из-за Кулоновское взаимодействие между электронами и ядрами двух частей (атомов или молекул). Выражение возмущения второго порядка для энергии взаимодействия содержит сумму по состояниям. Состояния, входящие в эту сумму, представляют собой простые произведения стимулированных электронных состояний мономеры. Таким образом, межмолекулярная антисимметризация электронных состояний не учитывается, и Принцип исключения Паули удовлетворен только частично.

Лондон написал Серия Тейлор разложение возмущения по ${ displaystyle { frac {1} {R}}}$ , где ${ displaystyle R}$ это расстояние между ядерные центры масс фрагментов.

Это расширение известно как мультипольное расширение потому что члены этого ряда можно рассматривать как энергии двух взаимодействующих мультиполей, по одному на каждый мономер. Подстановка разложенной по мультиполям формы V в энергию второго порядка дает выражение, напоминающее выражение, описывающее взаимодействие между мгновенными мультиполями (см. Качественное описание выше). Кроме того, приближение, названное в честь Альбрехт Унсельд, необходимо ввести, чтобы получить описание лондонской дисперсии в терминах дипольные поляризуемости и потенциалы ионизации.

Таким образом, для дисперсионного взаимодействия получается следующее приближение ${ displaystyle E_ {AB} ^ { rm {disp}}}$ между двумя атомами ${ displaystyle A}$ и ${ displaystyle B}$ . Вот ${ displaystyle alpha _ {A}}$ и ${ displaystyle alpha _ {B}}$ - дипольные поляризуемости соответствующих атомов. Количество ${ displaystyle I_ {A}}$ и ${ displaystyle I_ {B}}$ - первые потенциалы ионизации атомов, а ${ displaystyle R}$ межмолекулярное расстояние.

${ displaystyle E_ {AB} ^ { rm {disp}} приблизительно - {3 over 2} {I_ {A} I_ {B} over I_ {A} + I_ {B}} { alpha _ { A} alpha _ {B} over {R ^ {6}}}}$

Обратите внимание, что это окончательное уравнение Лондона не содержит мгновенных диполей (см. молекулярные диполи ). «Объяснение» дисперсионной силы как взаимодействия между двумя такими диполями было изобретено после того, как Лондон пришел к правильной квантовой теории. Авторитетная работа^[11] содержит критику модели мгновенного диполя^[12] и современное и подробное изложение теории межмолекулярных сил.

Теория Лондона во многом похожа на квантово-механическую теорию рассеивание света, поэтому Лондон придумал термин «эффект дисперсии». В физике термин «дисперсия» описывает изменение величины с частотой, что является флуктуацией электронов в случае лондонской дисперсии.

Относительная величина

Силы дисперсии обычно преобладают над тремя силами Ван-дер-Ваальса (ориентация, индукция, дисперсия) между атомами и молекулами, за исключением небольших и высокополярных молекул, таких как вода. Дан следующий вклад дисперсии в полную энергию межмолекулярного взаимодействия:^[13]

Вклад дисперсии в полную энергию межмолекулярного взаимодействия
Пара молекул	% от полной энергии взаимодействия
Ne -Не	100
CH₄ -CH₄	100
HCl -HCl	86
HBr -HBr	96
ЗДРАВСТВУЙ -ЗДРАВСТВУЙ	99
CH₃Cl -CH₃Cl	68
NH₃ -NH₃	57
ЧАС₂О -ЧАС₂О	24
HCl-HI	96
ЧАС₂O-CH₄	87

Смотрите также

использованная литература

^ "Chemguy Chemistry P5T8S9". YouTube. Получено 2013-04-01.
^ Исраэлачвили, Якоб Н. (2011), «Взаимодействие биологических мембран и структур», Межмолекулярные и поверхностные силы, Elsevier, стр. 577–616, Дои:10.1016 / b978-0-12-375182-9.10021-1, ISBN 9780123751829
^ Gelardi, G .; Флатт, Р.Дж. (2016), «Рабочие механизмы водоредукторов и суперпластификаторов», Наука и технология добавок в бетон, Elsevier, стр. 257–278, Дои:10.1016 / b978-0-08-100693-1.00011-4, ISBN 9780081006931
^ Wagner, J.P .; Шрайнер, П.Р. (2015), Лондонская дисперсия в молекулярной химии - переосмысление стерических эффектов, Wiley, стр. 12274–12296, Дои:10.1002 / anie.201503476
^ Карлстрём, Гуннар; Йёнссон, Бо (6 февраля 2013 г.). «Межмолекулярные взаимодействия» (PDF). Теоретическая химия - лундский университет. п. 45. В архиве (PDF) из оригинала 18 сентября 2020 г.. Получено 18 сентября 2020.
^ "Лондонские силы рассеяния". Получено 24 мая, 2019.
^ Шнайдер, Ханс-Йорг Дисперсионные взаимодействия в комплексах растворов Дисперсионные взаимодействия в комплексах растворов Соотв. Chem. Res 2015, 48 , 1815–1822.[1]
^ Р. Эйзеншиц и Ф. Лондон (1930), "Убер дас Верхельтнис дер ван дер Ваалсшен Крэфте цу ден гомоополарен Биндунгскрэфтен", Zeitschrift für Physik, 60 (7–8): 491–527, Bibcode:1930ZPhy ... 60..491E, Дои:10.1007 / BF01341258, S2CID 125644826
^ Лондон, Ф. (1930), "Zur Theorie und Systematik der Molekularkräfte", Zeitschrift für Physik, 63 (3–4): 245, Bibcode:1930ZPhy ... 63..245L, Дои:10.1007 / BF01421741, S2CID 123122363 и Лондон, Ф. (1937), Zeitschrift für Physikalische Chemie, 33: 8–26 Отсутствует или пусто | название = (Помогите). Английские переводы в Парр, Роберт Г. (2000), Х. Хеттема (редактор), «Квантовая химия, классические научные статьи», Физика сегодня, Сингапур: World Scientific, 54 (6): 63, Bibcode:2001ФТ .... 54ф..63Н, Дои:10.1063/1.1387598
^ Ф. Лондон (1937), «Общая теория молекулярных сил», Труды общества Фарадея, 33: 8–26, Дои:10.1039 / tf937330008b
^ Дж. О. Хиршфельдер; К. Ф. Кертисс и Р. Б. Берд (1954), Молекулярная теория газов и жидкостей, Нью-Йорк: Wiley
^ А. Дж. Стоун (1996), Теория межмолекулярных сил, Оксфорд: Clarendon Press
^ Яков Исраэлашвили (1992), Межмолекулярные и поверхностные силы (2-е изд.), Academic Press

[1] "Chemguy Chemistry P5T8S9". YouTube. Получено 2013-04-01.

[2] Исраэлачвили, Якоб Н. (2011), «Взаимодействие биологических мембран и структур», Межмолекулярные и поверхностные силы, Elsevier, стр. 577–616, Дои:10.1016 / b978-0-12-375182-9.10021-1, ISBN 9780123751829

[3] Gelardi, G .; Флатт, Р.Дж. (2016), «Рабочие механизмы водоредукторов и суперпластификаторов», Наука и технология добавок в бетон, Elsevier, стр. 257–278, Дои:10.1016 / b978-0-08-100693-1.00011-4, ISBN 9780081006931

[4] Wagner, J.P .; Шрайнер, П.Р. (2015), Лондонская дисперсия в молекулярной химии - переосмысление стерических эффектов, Wiley, стр. 12274–12296, Дои:10.1002 / anie.201503476

[5] Карлстрём, Гуннар; Йёнссон, Бо (6 февраля 2013 г.). «Межмолекулярные взаимодействия» (PDF). Теоретическая химия - лундский университет. п. 45. В архиве (PDF) из оригинала 18 сентября 2020 г.. Получено 18 сентября 2020.

[6] "Лондонские силы рассеяния". Получено 24 мая, 2019.

[7] Шнайдер, Ханс-Йорг Дисперсионные взаимодействия в комплексах растворов Дисперсионные взаимодействия в комплексах растворов Соотв. Chem. Res 2015, 48 , 1815–1822.[1]

[8] Р. Эйзеншиц и Ф. Лондон (1930), "Убер дас Верхельтнис дер ван дер Ваалсшен Крэфте цу ден гомоополарен Биндунгскрэфтен", Zeitschrift für Physik, 60 (7–8): 491–527, Bibcode:1930ZPhy ... 60..491E, Дои:10.1007 / BF01341258, S2CID 125644826

[9] Лондон, Ф. (1930), "Zur Theorie und Systematik der Molekularkräfte", Zeitschrift für Physik, 63 (3–4): 245, Bibcode:1930ZPhy ... 63..245L, Дои:10.1007 / BF01421741, S2CID 123122363 и Лондон, Ф. (1937), Zeitschrift für Physikalische Chemie, 33: 8–26 Отсутствует или пусто | название = (Помогите). Английские переводы в Парр, Роберт Г. (2000), Х. Хеттема (редактор), «Квантовая химия, классические научные статьи», Физика сегодня, Сингапур: World Scientific, 54 (6): 63, Bibcode:2001ФТ .... 54ф..63Н, Дои:10.1063/1.1387598

[10] Ф. Лондон (1937), «Общая теория молекулярных сил», Труды общества Фарадея, 33: 8–26, Дои:10.1039 / tf937330008b

[11] Дж. О. Хиршфельдер; К. Ф. Кертисс и Р. Б. Берд (1954), Молекулярная теория газов и жидкостей, Нью-Йорк: Wiley

[12] А. Дж. Стоун (1996), Теория межмолекулярных сил, Оксфорд: Clarendon Press

[13] Яков Исраэлашвили (1992), Межмолекулярные и поверхностные силы (2-е изд.), Academic Press

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]