- Medmolekularne električne interakcije
- Interakcija med stalnimi dipoli
- Interakcija med stalnim dipolom in induciranim dipolom
- Londonske sile ali razpršenost
- Radijski sprejemniki Van der Waals
- Sile in energija električne interakcije med atomi in med molekulami
- Reference
Van der Waalsove sile so sile med električno v naravi, ki je lahko privlačno in odbijajoče. Med površinami molekul ali atomov obstaja interakcija, ki se v bistvu razlikuje od ionskih, kovalentnih in kovinskih vezi, ki se tvorijo znotraj molekul.
Čeprav so šibke, so te sile sposobne pritegniti molekule plina; tudi utekočinjenega in strjenega plina ter vseh organskih tekočin in trdnih snovi. Johannes Van der Waals (1873) je bil tisti, ki je razvil teorijo za razlago vedenja resničnih plinov.
V tako imenovani Van der Waalsovi enačbi za dejanske pline - (P + an 2 / V 2 ) (V - nb)) = nRT- vnesemo dve konstanti: konstanto b (to je volumen, ki ga zasedajo molekule plina) in "a", kar je empirična konstanta.
Stalnica "a" popravi odstopanje od pričakovanega obnašanja idealnih plinov pri nizkih temperaturah, prav tam, kjer je izražena sila privlačnosti med molekuli plina. Sposobnost atoma, da se polarizira v periodični tabeli, se od vrha skupine do dna poveča in od desne proti levi v obdobju.
Ko se atomsko število povečuje - in s tem tudi število elektronov - se tisti, ki se nahajajo v zunanjih lupinah, lažje premikajo in tvorijo polarne elemente.
Medmolekularne električne interakcije
Interakcija med stalnimi dipoli
Obstajajo električno nevtralne molekule, ki so stalni dipoli. To je posledica motenj v elektronski distribuciji, ki povzročajo prostorsko ločitev pozitivnih in negativnih nabojev proti koncem molekule, ki tvorijo dipol (kot da bi bil magnet).
Voda je sestavljena iz 2 vodikovih atomov na enem koncu molekule in kisikovega atoma na drugem koncu. Kisik ima večjo afiniteto do elektronov kot vodik in jih privlači.
Tako nastane premik elektronov proti kisiku, pri čemer ostane ta negativno nabit in vodik pozitivno nabit.
Negativni naboj molekule vode lahko elektrostatično deluje s pozitivnim nabojem druge molekule vode, kar povzroči električno privlačnost. Tako se ta vrsta elektrostatične interakcije imenuje Keesomove sile.
Interakcija med stalnim dipolom in induciranim dipolom
Stalni dipol ima tako imenovan dipolni moment (µ). Velikost dipolnega trenutka je podana z matematičnim izrazom:
µ = qx
q = električni naboj.
x = prostorska razdalja med polovami.
Dipolni moment je vektor, ki je po dogovoru predstavljen, usmerjen od negativnega do pozitivnega pola. Velikost µ boli, da bi se izrazila v debaju (3,34 × 10 -30 Cm
Trajni dipol lahko medsebojno deluje z nevtralno molekulo, kar povzroči spremembe v njegovi elektronski porazdelitvi, kar ima za posledico induciran dipol v tej molekuli.
Stalni dipol in inducirani dipol lahko medsebojno delujeta električno, kar ustvarja električno silo. Ta vrsta interakcije je znana kot indukcija, sile, ki delujejo nanjo, se imenujejo sile Debyeja.
Londonske sile ali razpršenost
Naravo teh privlačnih sil pojasnjuje kvantna mehanika. London je predpostavil, da se v hipu električno nevtralnih molekul središče negativnih nabojev elektronov in središče pozitivnih nabojev jeder morda ne ujemata.
Torej nihanje gostote elektronov omogoča, da se molekule obnašajo kot začasni dipoli.
To samo po sebi ni razlaga za privlačne sile, vendar začasni dipoli lahko sprožijo pravilno poravnano polarizacijo sosednjih molekul, kar povzroči nastanek privlačne sile. Privlačne sile, ki jih ustvarjajo elektronska nihanja, imenujemo londonske sile ali disperzija.
Sile Van der Waalsa kažejo anizotropijo, zato na njih vpliva orientacija molekul. Vendar so disperzijske interakcije vedno privlačne.
Londonske sile se krepijo, ko se poveča velikost molekul ali atomov.
V halogeni, so na minimalnem atomsko število F 2 in Cl 2 molekule so plini. Br 2 z najvišjim atomskim številom je tekočina in I2 , halogen z najvišjim atomskim številom, je trdna snov pri sobni temperaturi.
Ko se atomsko število povečuje, se število prisotnih elektronov povečuje, kar olajša polarizacijo atomov in s tem tudi interakcije med njimi. To določa fizično stanje halogenov.
Radijski sprejemniki Van der Waals
Interakcije med molekulami in med atomi so lahko privlačne ali odbojne, odvisno od kritične razdalje med njihovimi središči, ki se imenuje r v .
Na razdaljah med molekulami ali atomi, ki so večje od r v , privlačnost med jedri ene molekule in elektroni druge prevladuje nad odbijanjem med jedri in elektroni obeh molekul.
V opisanem primeru je interakcija privlačna, kaj pa se zgodi, če se molekule približajo na razdalji med središči, manjšo od rv? Nato odbojna sila prevlada nad privlačno, ki nasprotuje tesnejšemu pristopu med atomi.
Vrednost r v podajamo tako imenovani Van der Waals radii (R). Za sferične in enake molekule je r v enak 2R. Pri dveh različnih molekul polmera R 1 in R 2 : r V enaka R 1 + R 2 . Vrednosti polmerov Van der Waalsa so podane v tabeli 1.
Vrednost, navedena v tabeli 1, kaže na polmer Van der Waalsa 0,12 nm (10 -9 m) za vodik. Torej je vrednost r v za ta atom 0,24 nm. Pri vrednosti r v manjša od 0,24 nm bo prišlo do odbojnosti med vodikovimi atomi.
Tabela 1. Van der Waals polmeri nekaterih atomov in skupin atomov.
Sile in energija električne interakcije med atomi in med molekulami
Sila med parom nabojev q 1 in q 2 , ki sta v vakuumu ločena z razdaljo r, je podana s Coulombovim zakonom.
F = k. q 1 .q 2 / r 2
K je konstanta, katere vrednost je odvisna od uporabljenih enot. Če je vrednost sile - ki jo daje uporaba Coulombovega zakona - negativna, kaže na privlačno silo. Nasprotno, če je vrednost, ki je podana za silo, pozitivna, to pomeni odbojno silo.
Ker so molekule običajno v vodnem mediju, ki ščiti električne sile, je potrebno uvesti izraz dielektrična konstanta (ε). Tako ta konstanta popravlja vrednost, ki je bila za uporabo električnih sil določena s Coulombovim zakonom.
F = kq 1 .q 2 /ε.r 2
Podobno je energija za električno interakcijo (U) podana z izrazom:
U = k. q 1 .q 2 /ε.r
Reference
- Uredniki Encyclopeedia Britannica. (2018). Sile Van der Waalsa. Pridobljeno 27. maja 2018 z: britannica.com
- Wikipedija. (2017). Sile Van der Waalsa. Pridobljeno 27. maja 2018 z: es.wikipedia.org
- Kathryn Rashe, Lisa Peterson, Seila Buth, Irene Ly. Sile Van der Waals. Pridobljeno 27. maja 2018 z: chem.libretexts.org
- Morris, JG (1974) Biološka fizikalna kemija. Druga izdaja. Edward Arnold (založniki) Limited.
- Mathews, CK, Van Holde, KE in Ahern, KG (2002) Biochemistry. Tretja izdaja. Addison Wesley Longman, Inc.