واندروالس و نیروهای پراکنده لندن

نیروهای واندروالسی نوعی نیروی بین مولکولی هستند که به دلیل برهمکنش دوقطبی-دوقطبی ایجاد می شود. نیروی پراکندگی لندن زیرشاخه‌ای از نیروی واندروالس است که در مولکول‌های غیرقطبی غالب است. نیروی بین مولکولی نیرویی است که بین دو مولکول مختلف ایجاد می شود.

همه این نیروها از پیوندهای یونی و کووالانسی ضعیف تر هستند. آنها همچنین در یک فاصله کوتاه عمل می کنند و هر چه مولکول های بیشتر از یکدیگر باشند ضعیف تر هستند.

در زیر به نیروهای واندروالس به طور کلی و نیروهای پراکنده لندن می پردازیم.

نیروهای ون دروالس چیست؟

نیروهای واندروالس نیروهای ضعیفی بین مولکول ها هستند که به دلیل دوقطبی های موقت یا دائمی ایجاد می شوند. به آنها نیروهای پراکندگی نیز می گویند. دوقطبی ها (موقت یا دائمی) باعث جذب بین مولکول ها می شوند.

نیروهای واندروالس شامل نیروهای پراکندگی لندن (که در زیر به آنها پرداخته می شود)، نیروهای دوقطبی-دوقطبی و یون-دوقطبی هستند. قوی ترین نیرو یون-دوقطبی و به دنبال آن دوقطبی-دوقطبی است. نیروهای پراکندگی لندن ضعیف ترین نیرو هستند.

همه مولکول ها نیروهای پراکندگی لندن را تجربه می کنند. با این حال، این تنها نیروی بین مولکولی (IMF) موجود در مولکول های غیر قطبی است. در مولکول های قطبی، سایر IMF ها غالب هستند، بنابراین اگرچه نیروهای پراکندگی لندن وجود دارند، ممکن است ذکر نشود.

فعل و انفعالات ون دروالس نام هایی به افتخار یوهانس دیدریک ون دروالس است. ون دروالس اولین کسی بود که نیروهای بین مولکولی را دلیل خواص مولکول های خاص مطرح کرد.

نیروی پراکنده لندن

نیروی پراکندگی لندن بین دو مولکول به دلیل یک دوقطبی موقت رخ می دهد. این نیرو به دلیل توزیع ناهموار الکترون ها ایجاد می شود که باعث ایجاد دوقطبی موقت می شود. به طور متوسط، الکترون ها به طور مساوی توزیع شده اند، اما در هر نمونه، آنها ممکن است در یک طرف یک مولکول خوشه شوند. این خوشه بندی باعث ایجاد دوقطبی آنی می شود. دوقطبی آنی می تواند باعث ایجاد یک دوقطبی موقت روی مولکول های اطراف شود. سپس دوقطبی های هر مولکول بر یکدیگر نیرو وارد می کنند.

این ضعیف ترین نوع نیروی بین مولکولی است.

هرچه ابر الکترونی در اطراف یک مولکول بزرگتر باشد، دوقطبی آنی قوی تر و در نتیجه نیروی جاذبه قوی تر است. این را می توان در روند نقطه ذوب و نقطه جوش برای هالوژن ها مشاهده کرد.

هالوژن	نقطه ذوب (K)
اف2	53.5
Cl2	171.6
برادر2	265.9
من2	386.8

با افزایش اندازه ابر الکترونی مولکول (حرکت در ردیف های جدول تناوبی به پایین)، نقطه ذوب افزایش می یابد. افزایش نقطه ذوب نشان دهنده نیروهای قوی تری است که باید بین مولکول ها شکسته شوند.

همچنین جاذبه روی یک مولکول طولانی تر از یک مولکول فشرده قوی تر خواهد بود. مولکول پخش شده قابلیت قطبش و تماس بیشتری با مولکول های اطراف دارد.

مولکول قرمز به دلیل طول آن در مقایسه با مولکول آبی فشرده با تعداد اتم یکسان، نیروهای پراکندگی لندن قوی‌تری خواهد داشت. طول بیشتر به این معنی است که فاصله بیشتری برای حرکت الکترون و ایجاد دوقطبی قوی‌تر وجود دارد.

ما می دانیم که این نیروها باید وجود داشته باشند زیرا مولکول های غیر قطبی وجود دارند که در دمای اتاق مایع هستند. اگر نیروهای بین مولکولی بین آنها وجود نداشته باشد، آنها گاز خواهند بود.

نمونه مشکلات

کدام مولکول نیروی IMF بزرگتری دارد: برم یا فلوئور؟

پاسخ صحیح برم است. هر دو مولکول غیر قطبی هستند، بنابراین نیروی اصلی صندوق بین المللی پول نیروهای پراکندگی لندن هستند. برم به دلیل داشتن الکترون بیشتر از فلوئور، قطبش پذیری بیشتری خواهد داشت.

کدام مولکول نیروهای پراکندگی لندن بزرگتری خواهد داشت: متان (CH₄) یا هگزان (C₆اچ₁₄)؟

هگزان پاسخ صحیح است. هگزان نیروهای پراکندگی لندن بزرگتری خواهد داشت، زیرا مولکول بزرگتر (از نظر اتم) و گسترده تر است (می تواند قطبی تر شود).

معادله ون دروالس

معادله واندروالس قانون گاز ایده آل را برای محاسبه نیروهای بین مولکولی ضعیف اصلاح می کند. نیروهای بین مولکولی با اضافه کردن اصلاح می شوند یک²/V² به مدت فشار اصطلاح اصلاحی دیگر محاسبه حجم مولکول ها است

• P = فشار
• V = حجم
• n = مول گاز
• R= ثابت گاز ایده آل
• T = دما
• a = ضریب تصحیح ثابت گاز (مشخص برای هر گاز)
• b= ضریب تصحیح ثابت گاز برای اندازه

تاریخچه نیروهای پراکنده لندن

نیروهای پراکنده لندن به همین نام نامگذاری شده اند فیزیکدان آلمانی فریتز لندن (1900-1954). با اینکه اصالتاً آلمانی بود، در سال 1933 آنجا را ترک کرد و به دانشگاه آکسفورد رفت. سپس در سال 1939 موقعیتی را در دانشگاه دوک پذیرفت. در آنجا او همچنین کمک زیادی به توسعه مکانیک کوانتومی کرد.