Дисперсионни сили (на Лондон)

В това видео ще разгледаме силите, които съществуват между неутрални атоми или неутрални молекули. Първият вид от тези междумолекулни сили, за които ще говорим, са дисперсионните сили (на Лондон). Това звучи много засукано, но е доста интересен и логичен феномен. Свикнали сме да мислим за атоми и да кажем, че имаме неутрален атом. Той има еднакъв брой протони и електрони. Това са всички протони и неутрони в ядрото. И после ще има електронен облак. Просто си представям тези електрони, подскачащи наоколо. Така ще го представя. Да си представим, и това определено не е начертано в мащаб, ядрото ще е много по-малко, ако беше в мащаб. Но да кажем, че имам съседен атом тук и той също е неутрален. Може би е същият вид атом. Може да е различен, но ще кажем, че е неутрален. И той също има електронен облак. И ако и двата атома са с неутрален заряд, какви сили на привличане ще действат между тях? Това обясняват дисперсионните сили, понеже сме наблюдавали, че дори между неутрални атоми и молекули може да съществува взаимно привличане. И начинът да помислим за това е, че електроните постоянно подскачат наоколо, вероятностно. Те са в този облак от вероятностна плътност, в който един електрон може да е навсякъде във всеки даден момент. Но електроните не винаги ще бъдат равномерно разпределени. Можеш да си представиш, че има момент, в който този левият атом може да изглежда ето така, само за момент, където може би малко повече електрони прекарват време в лявата страна на атома, отколкото в дясната страна. Може би изглежда ето така. И за този кратък момент имаш частично отрицателен заряд – това е гръцката малка буква делта, която се използва за обозначаване на частичен заряд. И от тази страна може да имаш частичен положителен заряд. Понеже, спомни си, когато беше равномерно разпределен, отрицателният заряд се неутрализира от положителния заряд на ядрото. Но тук, вдясно, понеже има по-малко електрони, може би имаш частично положителен заряд. Вляво, където са повечето електрони в този момент, има частично отрицателен заряд. Как може това да повлияе на съседен атом? Помисли за това. Спри видеото и помисли какво може да се случи в съседен атом. Знаем, че подобните заряди се отблъскват, а противоположните заряди се привличат. Ако имаме частично положителен заряд тук в дясната страна на този ляв атом, тогава в десния атом отрицателните електрони може да бъдат привлечени към този край. Тези електрони може да бъдат придърпани малко наляво. Те може да бъдат придърпани малко наляво. И това ще индуцира възникването на нещо, наречено дипол. Сега ще имаш частично отрицателен заряд в лявата страна на този атом и частичо положителен заряд в дясната страна. И вече имахме случайно получаващ се дипол в лявата страна, но после това ще индуцира дипол в дясната страна. Дипол имаш, когато имаш разделение на заряда, при което положителните и отрицателните заряди са в две различни части на молекулата, на атома или на друга частица. Но в този случай изведнъж двете частици ще бъдат привлечени една към друга. Или атомите ще бъдат привлечени един към друг. И това привличане, което се получава поради индуцираните диполи са точно дисперсионните сили (сили на Лондон). Можеш да наречеш дисперсионните сили сили на привличане между индуцирани диполи. Те се привличат един към друг, поради това, което може да започне като временен дисбаланс на електрони, но после индуцира дипол в другия атом или в другата молекула, а после те се привличат. Следващият въпрос, който може да зададеш, е колко силни могат да бъдат тези сили. Всичко тук почива върху идеята за поляризуемост – колко лесно е да поляризираш даден атом или молекула. И, по принцип, колкото повече електрони имаш, тоест, колкото по-голям е електронният облак, което обикновено е свързано с моларната маса – обикновено зависи от моларната маса – тогава толкова по-висока поляризуемост ще имаш. Ще имаш повече електрони, с които да си играеш. Ако това беше хелиев атом, който има сравнително малък електронен облак, не можеш да имаш значителен дисбаланс. Най-много може да имаш два електрона от една страна, което ще причини малък дисбаланс. Но, от друга страна, представи си много по-голям атом или много по-голяма молекула. Можеш да имаш много по-значителни дисбаланси. Три, четири, пет, петдесет електрона. И това ще създаде по-силен временен дипол, което ще индуцира по-силен дипол в съседите. Това може да доведе до ефект на домино из цялата проба от това вещество. Например, ако сравниш някои благородни газове... Можем да разгледаме благородните газове тук в дясната страна. Ако сравниш дисперсионите сили между, да кажем, хелий и аргон, кое мислиш ще има по-високи дисперсионни сили? Група хелиеви атоми едни до други или група аргонови атоми едни до други? Аргоновите атоми имат по-голям електронен облак. Следователно те имат по-висока поляризуемост. И ще имат по-високи дисперсиони сили. И можеш да видиш как това се отразява на точките им на кипене. Например точката на кипене на хелия е доста ниска. Тя е -268,9 градуса по Целзий. Докато точката на кипене на аргона пак е при температура, която би ни се сторила сравнително ниска, но е при много по-висока температура от точката на кипене на хелия. Тя е при -185,8 градуса по Целзий. Един начин да разсъждаваме за това – ако температурата е, да кажем, -270 градуса по Цезий, тогава една проба хелий ще е в течно състояние. Но ако повишим температурата, когато тя се повиши над -268,9 градуса по Целзий, тогава тези дисперсионни сили, които държат хелиевите атоми в едно, докато се плъзгат едни покрай други в течно състояние, те сили ще бъдат преодолени от енергията, която е поради температурата. И те ще могат да се освободят от действието на тези сили и хелият ще започне да кипи и ще навлезе в газообразно състояние, състоянието, в което повечето от нас са свикнали да виждат хелия. Но това не се случва при аргона, докато не стане малко по-топло – макар да е все още студено по нашите стандарти – и това е така, понеже е нужна повече енергия, за да се преодолеят дисперсионните сили при аргона, понеже аргоновите атоми имат по-големи електронни облаци. Общо казано, колкото по-голяма е молекулата, понеже има по-голям електронен облак ще има по-голяма поляризуемост и по-силни дисперсионни сили. Но формата на молекулата също има значение. Колкото повече молекули могат да влязат в контакт, толкова по-голяма повърхностна площ имат изложени, така че е по-вероятно да могат да индуцират тези диполи една в друга. Например молекулата на бутана има две различни форми, два структурни изомера. Може да е като n-бутан, който изглежда ето така. Имаш четири въглеродни атоми и 10 водордни атоми. Два, три, четири, пет, шест, седем, осем, девет, десет. Това е познато като n-бутан. Другата форма (изомер) на бутана, известна като изобутан, ще изглежда ето така. Три въглеродни атома в главната верига, а после един въглероден атом, който се разклонява от средния въглероден атом, а после всеки от тях има четири връзки. И останалите връзки са с водородните атоми. Ще изглежда ето така. Това тук е изобутан. Ако имаш проба от n-бутан и проба от изобутан, кое от двете мислиш ще има по-висока точка на кипене? Спри видеото и помиси. Ако имаш много молекули на n-бутан една до друга, представи си друга молекула n-бутан тук, тази молекула ще има повече повърхностна площ, за да взаимодейства със съседните молекули бутан, понеже е дълга молекула и може да изложи тази повърхност към съседите си. Докато молекулата на изобутана, в известен смисъл, е малко по-компактна. Има по-малка повърхностна площ. Няма тези големи дълги вериги. И понеже имаш тези по-дълги молекули n-бутан, ще действат по-големи дисперсионни сили. Очевидно, те имат един и същи брой атоми. Те имат един и същи брой електрони. Така че имат подобни по размер електронни облаци. Имат една и съща моларна маса. Но поради удължената форма на молекулата на n-бутана, неговите молекули могат да се доближат повече едни до други и да индуцират повече от тези диполи. И само като разгледаш молекулите на n-бутана и изобутана, ще очакваш по-големи дисперсионни сили при n-бутана, така че той ще има по-висока точка на кипене. Ще е нужна повече енергия да се преодолеят дисперсионните сили и да премине в газообразно състояние.