Дисперсионные силы Лондона

Природа дисперсионных сил

Дисперсионные силы Лондона относятся к типу слабых межмолекулярных взаимодействий, возникающих между нейтральными атомами и молекулами вследствие временной поляризации электронных облаков. Эти силы являются универсальными: они присутствуют во всех веществах, независимо от полярности молекул. Их сущность заключается в том, что движение электронов вокруг атомного ядра не является строго равномерным, а носит стохастический характер. В отдельные моменты времени в молекуле или атоме возникает временный диполь, который индуцирует противоположный диполь в соседней частице, создавая слабое притяжение между ними.

Механизм возникновения

1. Флуктуации электронного облака. Электроны в молекуле непрерывно перемещаются, что вызывает локальные колебания плотности заряда.
2. Индуцирование диполя. Эти временные колебания создают мгновенный диполь, который индуцирует соответствующий диполь в соседней частице.
3. Энергия взаимодействия. Взаимное притяжение временных диполей приводит к формированию потенциальной энергии взаимодействия, которая уменьшается с увеличением расстояния между частицами.

Математическое описание

Сила дисперсионного взаимодействия описывается законом Лондона, который в простейшей форме выражается как:

[ V(r) = - ]

где (V(r)) — потенциальная энергия взаимодействия, (_1, _2) — поляризуемости взаимодействующих частиц, (I_1, I_2) — энергии ионизации частиц, (r) — расстояние между центрами частиц.

Из этого выражения следует, что энергия взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния и пропорциональна поляризуемости атомов. Чем более электроннообъемная частица, тем сильнее дисперсионное взаимодействие.

Факторы, влияющие на дисперсионные силы

• Поляризуемость. Атомы и молекулы с более легко смещаемыми электронными облаками создают более сильные дисперсионные взаимодействия. Например, тяжелые галогены (йод, бром) обладают значительно более сильными дисперсионными силами, чем легкие (фтор, хлор).
• Размер и форма молекул. Линейные и вытянутые молекулы имеют большую площадь взаимодействия, что увеличивает силу дисперсионного притяжения.
• Расстояние между частицами. Энергия взаимодействия быстро падает при увеличении межмолекулярного расстояния.
• Температурный эффект. При повышении температуры тепловое движение молекул ослабляет эффективность дисперсионных взаимодействий.

Роль дисперсионных сил в физико-химических свойствах

Дисперсионные силы Лондона определяют множество свойств веществ, особенно в газообразном, жидком и твердом состояниях:

• Конденсация и температура кипения. Вещества с большей поляризуемостью имеют более высокие температуры плавления и кипения. Например, среди инертных газов температура кипения увеличивается от гелия к ксенону, что связано с усилением дисперсионного притяжения.
• Растворимость. Дисперсионные взаимодействия играют ключевую роль в растворении неполярных соединений друг в друге.
• Структура кристаллов. В кристаллах инертных газов, молекул йода и некоторых органических соединений дисперсионные силы обеспечивают удержание частиц в упорядоченной решетке.

Сравнение с другими межмолекулярными силами

Дисперсионные силы Лондона относятся к слабым межмолекулярным взаимодействиям и обычно уступают по энергии водородным связям и ионным взаимодействиям. Однако для неполярных веществ они часто являются единственным типом межмолекулярного притяжения, и именно они определяют агрегатное состояние и физические свойства таких веществ.

Применение и значение

Дисперсионные силы учитываются при моделировании молекулярных систем, проектировании лекарственных соединений, в химии полимеров и материаловедении. Их точное понимание важно для прогнозирования поведения неполярных молекул в жидких и твердых фазах, а также для объяснения адгезии и смачивания поверхностей.