LỰC LƯỢNG LONDON: ĐẶC ĐIỂM VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Lực London , lực phân tán London hoặc tương tác lưỡng cực cảm ứng-lưỡng cực, là loại tương tác giữa các phân tử yếu nhất. Tên gọi của nó là do những đóng góp của nhà vật lý Fritz London và những nghiên cứu của ông trong lĩnh vực vật lý lượng tử.

Lực lượng Luân Đôn giải thích cách các phân tử tương tác với nhau mà cấu trúc và nguyên tử của chúng khiến nó không thể hình thành một lưỡng cực vĩnh viễn; nghĩa là, về cơ bản, nó áp dụng cho các phân tử bất cực hoặc cho các nguyên tử cô lập của khí quý. Không giống như các lực lượng Van der Waals khác, lực lượng này đòi hỏi khoảng cách cực kỳ ngắn.

Nguồn: Hadley Paul Garland qua Flickr

Có thể tìm thấy sự tương tự về mặt vật lý của lực lượng London trong hoạt động của hệ thống đóng Velcro (hình trên). Bằng cách ép một mặt của vải thêu bằng móc, và mặt kia bằng sợi, lực hấp dẫn được tạo ra tỷ lệ với diện tích của vải.

Khi cả hai mặt đều được niêm phong, một lực phải được tác động để chống lại tương tác của chúng (do ngón tay của chúng ta tạo ra) để tách chúng ra. Điều này cũng đúng đối với các phân tử: chúng càng có độ lớn hoặc phẳng thì tương tác giữa các phân tử của chúng ở khoảng cách rất ngắn càng lớn.

Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có thể đưa các phân tử này đến gần đủ để tương tác của chúng có thể nhận thấy được.

Khi điều này xảy ra, chúng yêu cầu nhiệt độ rất thấp hoặc áp suất rất cao; chẳng hạn như trường hợp của chất khí. Tương tự như vậy, các loại tương tác này có thể có trong các chất lỏng (như n-hexan) và các chất rắn (như iốt).

nét đặc trưng

Nguồn: Gabriel Bolívar

Một phân tử phải có những đặc điểm gì để nó có thể tương tác bằng lực Luân Đôn? Câu trả lời là ai cũng có thể làm được, nhưng khi tồn tại một mômen lưỡng cực vĩnh viễn, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực chiếm ưu thế hơn tương tác tán xạ, đóng góp rất ít vào bản chất vật lý của các chất.

Trong các cấu trúc không có nguyên tử có độ âm điện cao hoặc có sự phân bố điện tích đồng nhất, không có cực hoặc vùng nào có thể được coi là giàu (δ-) hoặc nghèo (δ +) về electron.

Trong những trường hợp này, các loại lực khác phải can thiệp hay nói cách khác là các hợp chất chỉ có thể tồn tại trong pha khí, bất kể điều kiện áp suất hoặc nhiệt độ tác động lên chúng.

Phân bố tải đồng nhất

Hai nguyên tử cô lập, chẳng hạn như neon hoặc argon, có sự phân bố điện tích đồng nhất. Điều này có thể được nhìn thấy trong A, hình ảnh trên cùng. Các vòng tròn trắng ở trung tâm đại diện cho các hạt nhân, cho các nguyên tử, hoặc khung phân tử, cho các phân tử. Sự phân bố điện tích này có thể được coi như một đám mây của các electron màu xanh lục.

Tại sao các khí quý tuân theo sự đồng nhất này? Bởi vì chúng có một lớp vỏ điện tử hoàn toàn, vì vậy các electron của chúng về mặt lý thuyết nên cảm thấy điện tích hấp dẫn của hạt nhân như nhau trong tất cả các obitan.

Mặt khác, đối với các khí khác, chẳng hạn như oxy nguyên tử (O), lớp của nó là không hoàn chỉnh (được quan sát thấy trong cấu hình điện tử của nó) và buộc nó phải hình thành phân tử diatomic O ₂ để bù đắp cho sự thiếu hụt này.

Các vòng tròn màu xanh lá cây trong A cũng có thể là phân tử, nhỏ hoặc lớn. Đám mây electron của nó quay quanh tất cả các nguyên tử tạo nên nó, đặc biệt là những nguyên tử có độ âm điện cao nhất. Xung quanh các nguyên tử này, đám mây sẽ trở nên tập trung và âm hơn, trong khi các nguyên tử khác sẽ bị thiếu điện tử.

Tuy nhiên, đám mây này không tĩnh mà là động, vì vậy tại một số thời điểm các vùng δ- và δ + ngắn sẽ hình thành, và một hiện tượng gọi là phân cực sẽ xảy ra.

Tính phân cực

Ở A, đám mây màu xanh lục biểu thị sự phân bố đồng nhất của điện tích âm. Tuy nhiên, lực hút dương do hạt nhân tác dụng có thể tác dụng lên các êlectron. Điều này gây ra sự biến dạng của đám mây, do đó tạo ra các vùng δ-, màu xanh lam và δ +, màu vàng.

Mômen lưỡng cực đột ngột này trong nguyên tử hoặc phân tử có thể làm biến dạng đám mây electron lân cận; nói cách khác, nó tạo ra một lưỡng cực đột ngột lên người hàng xóm của nó (B, hình trên).

Điều này là do vùng δ- làm nhiễu loạn đám mây lân cận, các điện tử của nó cảm thấy lực đẩy tĩnh điện và hướng về cực ngược lại, xuất hiện δ +.

Lưu ý cách các cực dương thẳng hàng với cực âm, giống như các phân tử có mômen lưỡng cực vĩnh viễn. Đám mây electron càng lớn, hạt nhân càng khó giữ nó đồng nhất trong không gian; và ngoài ra, độ biến dạng của nó càng lớn, có thể thấy ở C.

Do đó, các nguyên tử và phân tử nhỏ ít có khả năng bị phân cực bởi bất kỳ hạt nào trong môi trường của chúng. Một ví dụ cho tình huống này được minh họa bằng phân tử nhỏ của hydro, H ₂ .

Để nó có thể cô đặc, hoặc thậm chí nhiều hơn để kết tinh, nó cần những áp suất cắt cổ để buộc các phân tử của nó tương tác vật lý.

Nó tỷ lệ nghịch với khoảng cách

Mặc dù các lưỡng cực tức thời được hình thành để gây ra những người khác xung quanh chúng, nhưng chúng không đủ để giữ các nguyên tử hoặc phân tử lại với nhau.

Ở B có khoảng cách d ngăn cách hai đám mây và hai hạt nhân của chúng. Để cả hai lưỡng cực có thể giữ nguyên trong một thời gian đã xét thì khoảng cách d này phải rất nhỏ.

Điều kiện này, một đặc tính thiết yếu của lực Luân Đôn (hãy nhớ sự đóng cửa Velcro), phải được đáp ứng để nó có tác động đáng chú ý đến các đặc tính vật lý của vật chất.

Một khi d nhỏ, hạt nhân bên trái trong B sẽ bắt đầu hút vùng δ- màu xanh lam của nguyên tử hoặc phân tử lân cận. Điều này sẽ làm biến dạng đám mây hơn nữa, như đã thấy trong C (lõi không còn ở trung tâm mà ở bên phải). Sau đó, có một điểm mà cả hai đám mây chạm vào nhau và "nảy lên", nhưng đủ chậm để giữ chúng lại với nhau trong một thời gian.

Do đó, lực Luân Đôn tỉ lệ nghịch với khoảng cách d. Trên thực tế, hệ số bằng d ⁷ , vì vậy một sự thay đổi nhỏ về khoảng cách giữa hai nguyên tử hoặc phân tử sẽ làm suy yếu hoặc tăng cường sự tán xạ London.

Nó tỷ lệ thuận với khối lượng phân tử

Làm thế nào để tăng kích thước của các đám mây để chúng phân cực dễ dàng hơn? Thêm electron, và vì vậy hạt nhân phải có nhiều proton và neutron hơn, do đó làm tăng khối lượng nguyên tử; hoặc, thêm các nguyên tử vào xương sống của phân tử, do đó sẽ làm tăng khối lượng phân tử của nó

Bằng cách này, các hạt nhân hoặc khung phân tử sẽ ít có khả năng giữ cho đám mây electron đồng nhất mọi lúc. Do đó, các vòng tròn màu xanh lục được xét ở A, B và C càng lớn thì chúng sẽ càng phân cực và lực tương tác của chúng cũng sẽ lớn hơn bởi lực London.

Hiệu ứng này được quan sát rõ ràng giữa B và C, và có thể còn nhiều hơn nữa nếu các vòng tròn có đường kính lớn hơn. Lý luận này là chìa khóa để giải thích các tính chất vật lý của nhiều hợp chất dựa trên khối lượng phân tử của chúng.

Ví dụ về lực lượng Luân Đôn

Nguồn: Pxhere

Trong thiên nhiên

Trong cuộc sống hàng ngày, có vô số ví dụ về các lực phân tán của Luân Đôn mà không cần phải dấn thân vào thế giới vi mô ngay từ đầu.

Một trong những ví dụ phổ biến và đáng ngạc nhiên nhất được tìm thấy ở chân của loài bò sát được gọi là tắc kè (hình trên) và ở nhiều loài côn trùng (cũng như ở Người nhện).

Trên chân của chúng có các miếng đệm mà từ đó hàng ngàn sợi nhỏ nhô ra. Trong ảnh, bạn có thể thấy một con tắc kè đang tạo dáng trên dốc của một tảng đá. Để đạt được điều này, nó sử dụng lực liên phân tử giữa đá và các sợi chân của nó.

Mỗi sợi này tương tác yếu với bề mặt mà loài bò sát nhỏ leo lên, nhưng vì có hàng nghìn sợi, chúng tác động một lực tỷ lệ thuận với diện tích chân của nó, đủ mạnh để chúng bám vào và có thể leo lên. Tắc kè cũng có khả năng leo lên các bề mặt nhẵn và hoàn hảo như thủy tinh.

Ankan

Các ankan là các hiđrocacbon no cũng tương tác bởi lực Luân Đôn. Cấu trúc phân tử của chúng chỉ đơn giản bao gồm các nguyên tử cacbon và hydro liên kết với nhau bằng các liên kết đơn. Vì sự khác biệt về độ âm điện giữa C và H là rất nhỏ, chúng là những hợp chất không phân cực.

Do đó, metan, CH ₄ , hiđrocacbon nhỏ nhất trong tất cả, sôi ở -161,7ºC. Khi thêm C và H vào khung, thu được các ankan khác có phân tử khối lớn hơn.

Bằng cách này, etan (-88,6ºC), butan (-0,5ºC) và octan (125,7ºC) phát sinh. Chú ý điểm sôi của chúng tăng lên như thế nào khi ankan nặng hơn.

Điều này là do các đám mây điện tử của chúng dễ phân cực hơn và cấu trúc của chúng có diện tích bề mặt lớn hơn làm tăng tiếp xúc giữa các phân tử của chúng.

Octan, mặc dù là một hợp chất không phân cực, có nhiệt độ sôi cao hơn nước.

Halogens và khí

Lực Luân Đôn cũng có mặt trong nhiều chất ở thể khí. Ví dụ, các phân tử N ₂ , H ₂ , CO ₂ , F ₂ , Cl ₂ và tất cả các khí quý, tương tác thông qua các lực này, vì chúng có sự phân bố tĩnh điện đồng nhất, có thể trải qua các lưỡng cực tức thời và dẫn đến phân cực.

Các khí quý là He (helium), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), Xe (xenon), và Rn (radon). Từ trái sang phải điểm sôi của chúng tăng lên khi khối lượng nguyên tử tăng dần: -269, -246, -186, -152, -108, và -62 ºC.

Các halogen cũng tương tác thông qua các lực này. Flo là chất khí ở nhiệt độ thường giống như clo. Brom, với khối lượng nguyên tử lớn hơn, được tìm thấy ở điều kiện bình thường dưới dạng chất lỏng màu đỏ, và iốt, cuối cùng, tạo thành một chất rắn màu tím thăng hoa nhanh chóng vì nó nặng hơn các halogen khác.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập, tr 452-455.
2. Angeles Mendez. (Ngày 22 tháng 5 năm 2012). Lực lượng phân tán (từ Luân Đôn). Phục hồi từ: quimica.laguia2000.com
3. Lực lượng phân tán London. Được khôi phục từ: chem.purdue.edu
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 22 tháng 6 năm 2018). 3 Loại Lực Liên Phân Tử. Phục hồi từ: thinkco.com
5. Ryan Ilagan và Gary L Bertrand. Tương tác phân tán London. Lấy từ: chem.libretexts.org
6. Mạng ChemPages. Lực lượng Luân Đôn. Đã khôi phục từ: chem.wisc.edu
7. Kamereon. (Ngày 22 tháng 5 năm 2013). Geckos: Con tắc kè và lực lượng của Van der waals. Phục hồi từ: almabiologica.com