Londra dağılma kuvveti - London dispersion force

Bir argon dimerinin etkileşim enerjisi . Uzun menzilli bölüm, Londra dağılma kuvvetlerinden kaynaklanmaktadır.

London dağılım kuvvetleri ( LDF , dağılım kuvvetleri , London kuvvetleri , anlık dipol kaynaklı dipol kuvvetleri, Dalgalanan İndüklenmiş Dipol Bağları veya van der Waals kuvvetleri olarak da bilinir ) , normalde elektriksel olarak simetrik olan atomlar ve moleküller arasında hareket eden bir kuvvet türüdür ; yani elektronlar çekirdeğe göre simetrik olarak dağılmıştır. Onlar van der Waals kuvvetlerinin bir parçası . LDF, adını Alman fizikçi Fritz London'dan almıştır .

Giriş

Bir atom veya molekül etrafındaki elektron dağılımı zaman içinde dalgalanmalara uğrar. Bu dalgalanmalar, yakındaki diğer atomlar ve moleküller tarafından hissedilen ve sırayla kendi elektronlarının uzaysal dağılımını ayarlayan anlık elektrik alanları yaratır. Net etki, bir atomdaki elektron konumlarındaki dalgalanmaların, diğer atomlarda karşılık gelen bir elektron dağılımını indüklemesidir, öyle ki elektron hareketleri korelasyonlu hale gelir. Ayrıntılı teori kuantum-mekanik bir açıklama gerektirirken (bkz . dağılma kuvvetlerinin kuantum mekanik teorisi ) , etki sıklıkla ( vakumla ayrıldığında ) birbirini çeken anlık dipollerin oluşumu olarak tanımlanır . London dağılım kuvvetinin büyüklüğü sıklıkla Hamaker sabiti adı verilen ve tipik olarak A ile sembolize edilen tek bir parametre ile tanımlanır . Işığın dalga boyundan daha yakın olan atomlar için etkileşim esasen anlıktır ve "geciktirilmemiş" bir Hamaker sabiti olarak tanımlanır. Birbirinden daha uzakta olan varlıklar için, bir atomdaki dalgalanmanın ikinci bir atomda hissedilmesi ("geciktirme") için gereken sonlu süre, "geciktirilmiş" bir Hamaker sabitinin kullanılmasını gerektirir.

Bireysel atomlar ve moleküller arasındaki London dispersiyon kuvveti oldukça zayıfken ve yoğun maddede (sıvılar ve katılar) olduğu gibi ayrılma ( R ) ile hızla azalırken , etki malzemelerin hacmi üzerinde veya organik moleküllerin içinde ve arasında kümülatiftir. London dispersiyon kuvvetleri katı ve sıvılarda oldukça güçlü olabilir ve mesafe ile çok daha yavaş bozunabilir. Örneğin, iki dökme katı arasındaki birim alan başına toplam kuvvet, R'nin aralarındaki mesafe olduğu yerde azalır . Londra dispersiyon kuvvetleri etkisi (eksikliği, örneğin çok polar olmayan olduğu sistemlerde en belirgin olan iyonik bağlar gibi) hidrokarbonlar ve son derece simetrik moleküller gibi brom (Br _2, oda sıcaklığında sıvı) ya da iyot (I _{2 ,} oda sıcaklığında katı). Hidrokarbonlarda ve mumlarda , dispersiyon kuvvetleri gaz fazından sıvı veya katı faza yoğunlaşmaya neden olmak için yeterlidir . Örneğin hidrokarbon kristallerinin süblimleşme ısıları, dağılım etkileşimini yansıtır. Oksijen ve nitrojen gazlarının sıvı fazlara sıvılaştırılması da çekici London dispersiyon kuvvetleri tarafından yönetilir. ${\displaystyle {\frac {1}{R^{6}}}}$${\displaystyle {\frac {1}{R^{3}}}}$

Atomlar/moleküller üçüncü bir ortamla (vakum yerine) ayrıldığında durum daha karmaşık hale gelir. İçinde sulu çözeltiler , atomlar ya da moleküller arasında dağılım kuvvetleri etkileri sıklıkla nedeniyle daha az polarize olabilir ile rekabete belirgindir çözücü molekülleri. Yani bir atom veya moleküldeki anlık dalgalanmalar hem çözücü (su) hem de diğer moleküller tarafından hissedilir.

Daha büyük ve daha ağır atomlar ve moleküller, daha küçük ve daha hafif olanlardan daha güçlü dağılma kuvvetleri sergiler. Bunun nedeni , daha büyük, daha dağınık elektron bulutlarına sahip moleküllerin artan polarize edilebilirliğidir . Polarize edilebilirlik, elektronların ne kadar kolay yeniden dağıtılabileceğinin bir ölçüsüdür; büyük bir polarize edilebilirlik, elektronların daha kolay yeniden dağıtıldığı anlamına gelir. Bu eğilim halojenlerle örneklendirilir (küçükten büyüğe: F ₂ , Cl ₂ , Br ₂ , I ₂ ). Aynı dispersif çekim artışı, RF, RCl, RBr, RI (en küçükten büyüğe) sırasına göre organik moleküller içinde ve arasında veya daha polarize olabilen diğer heteroatomlarla meydana gelir . Florin ve klorin olan gazlar , oda sıcaklığında, brom, bir sıvı olan ve iyot bir katıdır. London kuvvetlerinin elektronların hareketinden kaynaklandığı düşünülmektedir.

kuantum mekaniği teorisi

Asil gaz atomları arasındaki çekimin ilk açıklaması 1930'da Fritz London tarafından yapıldı. İkinci dereceden pertürbasyon teorisine dayanan bir kuantum mekaniği teorisi kullandı . Pertürbasyon, iki parçanın (atomlar veya moleküller) elektronları ve çekirdekleri arasındaki Coulomb etkileşiminden kaynaklanır . Etkileşim enerjisinin ikinci dereceden pertürbasyon ifadesi, durumlar üzerinde bir toplam içerir. Bu toplamda görünen durumlar, monomerlerin uyarılmış elektronik durumlarının basit ürünleridir . Bu nedenle, elektronik durumların moleküller arası antisimetrisi dahil edilmez ve Pauli dışlama ilkesi yalnızca kısmen karşılanır.

London , yarımların nükleer kütle merkezleri arasındaki mesafenin olduğu pertürbasyonun Taylor serisi açılımını yazdı . ${\displaystyle {\frac {1}{R}}}$${\görüntüleme stili R}$

Bu genişleme, çok kutuplu genişleme olarak bilinir, çünkü bu serideki terimler, her bir monomer üzerinde bir tane olmak üzere, etkileşen iki çok kutuplu enerjiler olarak kabul edilebilir. V'nin çok kutuplu genişletilmiş formunun ikinci dereceden enerjiye ikame edilmesi, anlık çoklu kutuplar arasındaki etkileşimi tanımlayan bir ifadeye benzeyen bir ifade verir (yukarıdaki nitel açıklamaya bakın). Ek olarak, dipol polarizasyonları ve iyonlaşma potansiyelleri açısından London dağılımının bir tanımını elde etmek için Albrecht Unsöld'den sonra adlandırılan bir yaklaşım tanıtılmalıdır .

Bu şekilde, iki atom arasındaki dağılım etkileşimi için aşağıdaki yaklaşım elde edilir ve . Burada ve ilgili atomların dipol polarizasyonları vardır. Miktarlar ve atomların ilk iyonlaşma potansiyelleridir ve moleküller arası mesafedir. ${\displaystyle E_{AB}^{\rm {görüntüleme}}}$${\görüntüleme stili A}$${\görüntüleme stili B}$${\displaystyle \alpha _{A}}$${\görüntüleme stili \alfa _{B}}$${\ Displaystyle I_{A}}$${\görüntüleme stili I_{B}}$${\görüntüleme stili R}$

${\displaystyle E_{AB}^{\rm {görüntüleme}}\yaklaşık -{3 \over 2}{I_{A}I_{B} \over I_{A}+I_{B}}{\alpha _{ A}\alpha _{B} \üzer {R^{6}}}}$

Bu son London denkleminin anlık dipoller içermediğine dikkat edin (bkz. moleküler dipoller ). Bu tür iki dipol arasındaki etkileşim olarak dağılma kuvvetinin "açıklaması", Londra uygun kuantum mekaniksel teoriye ulaştıktan sonra icat edildi. Yetkili çalışma, anlık dipol modelinin bir eleştirisini ve moleküller arası kuvvetler teorisinin modern ve kapsamlı bir açıklamasını içerir.

Londra teorisi, kuantum mekaniği ışık dağılımı teorisine çok benzer , bu yüzden Londra "dağılma etkisi" tabirini icat etti. Fizikte, "dağılım" terimi, Londra dağılımı durumunda elektronların dalgalanması olan frekansla bir miktarın değişimini tanımlar.

göreli büyüklük

Dağılma kuvvetleri, su gibi küçük ve oldukça polar olan moleküller hariç olmak üzere, atomlar ve moleküller arasındaki üç van der Waals kuvveti (yönlendirme, indüksiyon, dağılım) üzerinde genellikle baskındır. Dağılımın toplam moleküller arası etkileşim enerjisine aşağıdaki katkısı verilmiştir:

Ayrıca bakınız

• Dağılım (kimya)
• van der Waals kuvveti
• kovalent olmayan etkileşimler

Referanslar