قوى لندن: الخصائص والأمثلة - كيمياء - 2025

تعد قوى لندن ، قوى تشتت لندن أو تفاعلات ثنائي القطب المستحثة ، أضعف نوع من التفاعلات بين الجزيئات. يرجع اسمها إلى مساهمات الفيزيائي فريتز لندن ودراساته في مجال فيزياء الكم.

تشرح قوى لندن كيف تتفاعل الجزيئات التي تجعل بنيتها وذراتها من المستحيل عليه تكوين ثنائي أقطاب دائم ؛ أي أنه ينطبق بشكل أساسي على الجزيئات القطبية أو على الذرات المعزولة من الغازات النبيلة. على عكس قوى فان دير فال الأخرى ، تتطلب هذه القوة مسافات قصيرة للغاية.

المصدر: هادلي بول جارلاند عبر فليكر

يمكن العثور على تشبيه مادي جيد لقوات لندن في تشغيل نظام إغلاق الفيلكرو (الصورة أعلاه). عن طريق الضغط على أحد جانبي القماش المطرز بخطافات ، والآخر بالألياف ، يتم تكوين قوة جذابة تتناسب مع مساحة الأقمشة.

بمجرد إغلاق كلا الوجهين ، يجب بذل قوة لمواجهة تفاعلاتهما (التي تحدث بأصابعنا) للفصل بينهما. وينطبق الشيء نفسه على الجزيئات: فكلما كانت أكثر كثافة أو مسطحة ، زادت تفاعلاتها بين الجزيئات على مسافات قصيرة جدًا.

ومع ذلك ، ليس من الممكن دائمًا تقريب هذه الجزيئات بدرجة كافية حتى تكون تفاعلاتها ملحوظة.

عندما يكون الأمر كذلك ، فإنها تتطلب درجات حرارة منخفضة جدًا أو ضغوطًا عالية جدًا ؛ على هذا النحو هو حالة الغازات. وبالمثل ، يمكن أن توجد هذه الأنواع من التفاعلات في المواد السائلة (مثل n-hexane) والمواد الصلبة (مثل اليود).

مميزات

المصدر: غابرييل بوليفار

ما هي الخصائص التي يجب أن يمتلكها الجزيء حتى يتفاعل باستخدام قوى لندن؟ الجواب هو أن أي شخص يمكنه فعل ذلك ، ولكن عندما يكون هناك عزم دائم ثنائي القطب ، تسود تفاعلات ثنائي القطب - ثنائي القطب أكثر من تفاعلات التشتت ، مما يساهم بشكل ضئيل جدًا في الطبيعة الفيزيائية للمواد.

في الهياكل التي لا توجد فيها ذرات عالية الكهربية أو التي يكون توزيع الشحنة الكهروستاتيكية فيها متجانسًا ، لا يوجد أقصى أو منطقة يمكن اعتبارها غنية (δ-) أو فقيرة (δ +) في الإلكترونات.

في هذه الحالات ، يجب أن تتدخل أنواع أخرى من القوى وإلا فإن هذه المركبات لا يمكن أن توجد إلا في الطور الغازي ، بغض النظر عن ظروف الضغط أو درجة الحرارة التي تعمل عليها.

توزيع الحمل المتجانس

ذرتان منفصلتان ، مثل النيون أو الأرجون ، لهما توزيع متجانس للشحنة. يمكن رؤية ذلك في الصورة العلوية أ. تمثل الدوائر البيضاء في المركز النواة ، للذرات ، أو الهيكل الجزيئي للجزيئات. يمكن اعتبار توزيع الشحنة هذا بمثابة سحابة من الإلكترونات الخضراء.

لماذا الغازات النبيلة تمتثل لهذا التجانس؟ نظرًا لأن لديهم غلافًا إلكترونيًا كاملًا تمامًا ، لذلك يجب أن تشعر إلكتروناتهم نظريًا بالشحنة الجذابة للنواة بالتساوي في جميع المدارات.

من ناحية أخرى ، بالنسبة للغازات الأخرى ، مثل الأكسجين الذري (O) ، فإن طبقته غير مكتملة (والتي يتم ملاحظتها في تكوينها الإلكتروني) وتجبرها على تكوين الجزيء ثنائي الذرة O ₂ لتعويض هذا النقص.

يمكن أن تكون الدوائر الخضراء في A أيضًا جزيئات ، صغيرة أو كبيرة. تدور سحابة الإلكترون الخاصة بها حول جميع الذرات التي تتكون منها ، وخاصة الذرات الأكثر كهرسلبية. ستصبح السحابة حول هذه الذرات أكثر تركيزًا وسلبية ، بينما تعاني الذرات الأخرى من نقص إلكتروني.

ومع ذلك ، فإن هذه السحابة ليست ثابتة ولكنها ديناميكية ، لذلك في مرحلة ما سوف تتشكل مناطق موجزة δ- و δ + ، وستحدث ظاهرة تسمى الاستقطاب.

الاستقطاب

في A ، تشير السحابة ذات اللون الأخضر إلى توزيع متجانس للشحنة السالبة. ومع ذلك ، فإن قوة الجذب الإيجابية التي تمارسها النواة يمكن أن تتأرجح على الإلكترونات. يؤدي هذا إلى تشوه السحابة وبالتالي إنشاء مناطق δ- باللون الأزرق و δ + باللون الأصفر.

هذه العزم المفاجئ ثنائي القطب في الذرة أو الجزيء يمكن أن تشوه سحابة إلكترونية مجاورة ؛ وبعبارة أخرى ، فإنه يؤدي إلى حدوث ثنائي القطب مفاجئ على جاره (B ، الصورة العلوية).

هذا يرجع إلى حقيقة أن المنطقة δ تزعج السحابة المجاورة ، وتشعر إلكتروناتها بالتنافر الكهروستاتيكي وتتجه نحو القطب المعاكس ، وتظهر δ +.

لاحظ كيف تتماشى الأقطاب الموجبة مع الأقطاب السالبة ، تمامًا كما تفعل الجزيئات ذات العزوم ثنائية القطب الدائمة. كلما زادت كثافة السحابة الإلكترونية ، زادت صعوبة بقاء النواة متجانسة في الفضاء ؛ بالإضافة إلى ذلك ، كلما زاد تشوهها ، كما يتضح من C.

لذلك ، تقل احتمالية استقطاب الذرات والجزيئات الصغيرة بواسطة أي جسيم في بيئتها. مثال على هذه الحالة يتضح من خلال جزيء صغير من الهيدروجين ، H ₂.

ولكي يتكثف ، أو يتبلور أكثر ، فإنه يحتاج إلى ضغوط كبيرة لإجبار جزيئاته على التفاعل جسديًا.

يتناسب عكسيا مع المسافة

على الرغم من أن ثنائيات الأقطاب اللحظية تتشكل لتحرض الآخرين من حولهم ، إلا أنها لا تكفي لتماسك الذرات أو الجزيئات معًا.

في B توجد مسافة d تفصل بين الغيمتين ونوتيهما. حتى يتسنى لكلا ثنائيات القطب البقاء لفترة محددة ، يجب أن تكون هذه المسافة d صغيرة جدًا.

هذا الشرط ، وهو سمة أساسية لقوى لندن (تذكر إغلاق الفيلكرو) ، يجب أن يتحقق حتى يكون له تأثير ملحوظ على الخصائص الفيزيائية للمادة.

بمجرد أن تصبح d صغيرة ، ستبدأ النواة الموجودة على اليسار في B في جذب المنطقة الزرقاء للذرة أو الجزيء المجاور. سيؤدي هذا إلى تشويه السحابة بشكل أكبر ، كما هو موضح في C (لم يعد اللب في المركز بل إلى اليمين). بعد ذلك ، تأتي نقطة تلامس فيها الغيوم و "ترتد" ، لكنها بطيئة بما يكفي لتماسكها لبعض الوقت.

لذلك ، فإن قوى لندن تتناسب عكسياً مع المسافة د. في الواقع ، العامل يساوي d ⁷ ، لذا فإن الاختلاف الطفيف في المسافة بين الذرتين أو الجزيئات سيضعف أو يقوي تشتت لندن.

يتناسب طرديا مع الكتلة الجزيئية

كيف يمكن زيادة حجم السحب بحيث يسهل استقطابها؟ إضافة الإلكترونات ، ولهذا يجب أن تحتوي النواة على عدد أكبر من البروتونات والنيوترونات ، وبالتالي زيادة الكتلة الذرية ؛ أو إضافة ذرات إلى العمود الفقري للجزيء ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة كتلته الجزيئية

بهذه الطريقة ، سيكون من غير المرجح أن تحافظ النوى أو الهيكل الجزيئي على توحيد السحابة الإلكترونية طوال الوقت. لذلك ، كلما كبرت الدوائر الخضراء في A و B و C ، كلما كانت أكثر قابلية للاستقطاب وستكون تفاعلاتهم أكبر مع قوى لندن.

لوحظ هذا التأثير بوضوح بين B و C ، ويمكن أن يكون أكثر من ذلك إذا كانت الدوائر أكبر في القطر. هذا المنطق هو المفتاح لشرح الخصائص الفيزيائية للعديد من المركبات بناءً على كتلها الجزيئية.

أمثلة على قوى لندن

المصدر: Pxhere

في الطبيعة

في الحياة اليومية ، هناك أمثلة لا حصر لها لقوى تشتت لندن دون الحاجة إلى المغامرة في العالم المجهري في المقام الأول.

يوجد أحد الأمثلة الأكثر شيوعًا وإثارة للدهشة في أرجل الزواحف المعروفة باسم أبو بريص (الصورة العلوية) وفي العديد من الحشرات (أيضًا في الرجل العنكبوت).

يوجد على أرجلهم منصات يبرز منها آلاف الخيوط الصغيرة. في الصورة يمكنك أن ترى أبو بريص يتظاهر على منحدر صخرة. لتحقيق ذلك ، فإنه يستخدم القوى بين الجزيئات بين الصخر وخيوط ساقيه.

يتفاعل كل من هذه الخيوط بشكل ضعيف مع السطح الذي يتسلق عليه الزواحف الصغيرة ، ولكن نظرًا لوجود الآلاف منها ، فإنها تمارس قوة تتناسب مع مساحة ساقيها ، قوية بما يكفي بحيث تظل متصلة ويمكنها التسلق. الأبراص قادرة أيضًا على تسلق الأسطح الملساء والمثالية مثل الزجاج.

الألكانات

الألكانات عبارة عن هيدروكربونات مشبعة تتفاعل أيضًا مع قوى لندن. تتكون هياكلها الجزيئية ببساطة من ذرات الكربون والهيدروجين المرتبطة بروابط مفردة. نظرًا لأن الاختلاف في الكهربية بين C و H صغير جدًا ، فهي مركبات قطبية.

وهكذا، والميثان، CH ₄ ، أصغر الهيدروكربونية من كل شيء، ويغلي عند -161.7ºC. عند إضافة C و H إلى الهيكل العظمي ، يتم الحصول على ألكانات أخرى ذات كتل جزيئية أعلى.

وبهذه الطريقة ينشأ الإيثان (-88.6 درجة مئوية) والبيوتان (-0.5 درجة مئوية) والأوكتان (125.7 درجة مئوية). لاحظ كيف تزداد نقاط غليانها كلما زاد وزن الألكانات.

وذلك لأن السحب الإلكترونية أكثر قابلية للاستقطاب ولأن هياكلها تحتوي على مساحة سطح أكبر مما يزيد من الاتصال بين جزيئاتها.

الأوكتان ، على الرغم من أنه مركب قطبي ، لديه نقطة غليان أعلى من الماء.

الهالوجينات والغازات

توجد قوى لندن أيضًا في العديد من المواد الغازية. على سبيل المثال ، تتفاعل جزيئات N ₂ و H ₂ و CO ₂ و F ₂ و Cl ₂ وجميع الغازات النبيلة ، من خلال هذه القوى ، لأنها تقدم توزيعًا إلكتروستاتيكيًا متجانسًا ، والذي يمكن أن يخضع لثنائيات أقطاب فورية ويؤدي إلى استقطابات.

الغازات النبيلة هي هي (الهليوم) ونيون (نيون) وأر (أرجون) و Kr (كريبتون) و Xe (زينون) و Rn (رادون). من اليسار إلى اليمين ، تزداد نقاط غليانها مع زيادة الكتلة الذرية: -269 ، -246 ، -186 ، -152 ، -108 ، -62 درجة مئوية.

تتفاعل الهالوجينات أيضًا من خلال هذه القوى. الفلور غاز في درجة حرارة الغرفة مثل الكلور. البروم ، ذو الكتلة الذرية الأعلى ، يوجد في الظروف العادية كسائل ضارب إلى الحمرة ، واليود ، أخيرًا ، يشكل مادة صلبة أرجوانية تتسامي بسرعة لأنها أثقل من الهالوجينات الأخرى.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. كيمياء. (الطبعة الثامنة). تعلم CENGAGE ، ص 452-455.
2. أنجيليس مينديز. (22 مايو 2012). قوى التشتت (من لندن). تم الاسترجاع من: quimica.laguia2000.com
3. قوى تشتت لندن. تم الاسترجاع من: chem.purdue.edu
4. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (22 يونيو 2018). 3 أنواع من القوى بين الجزيئات. تم الاسترجاع من: thinkco.com
5. ريان إيلاجان وجاري إل برتراند. تفاعلات تشتت لندن. مأخوذة من: chem.libretexts.org
6. ChemPages Netorials. قوات لندن. تم الاسترجاع من: chem.wisc.edu
7. كاميرون. (22 مايو 2013). أبو بريص: أبو بريص وقوات فان دير فالس. تم الاسترجاع من: almabiologica.com