Mitä ovat Lontoon dispersiovoimat?

Lontoon dispersiovoimat, jotka on nimetty saksalais-amerikkalaisen fyysikon Fritz Londonin mukaan, ovat yksi kolmesta Van der Waalsin molekyylien välisestä voimasta, jotka pitävät molekyylejä yhdessä. Ne ovat heikoimpia molekyylien välisistä voimista, mutta vahvistuvat voimien lähteen atomien koon kasvaessa. Vaikka muut Van der Waalsin voimat riippuvat polaarisesti varautuneiden molekyylien sähköstaattisesta vetovoimasta, Lontoon dispersiovoimat ovat läsnä jopa neutraaleista molekyyleistä koostuvissa materiaaleissa.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Lontoon dispersiovoimat ovat molekyylien välisiä vetovoimia, jotka pitävät molekyylejä yhdessä. Ne ovat yksi kolmesta Van der Waalsin voimasta, mutta ovat ainoa voima, joka on läsnä materiaaleissa, joissa ei ole polaarisia dipolimolekyylejä. Ne ovat heikoimpia molekyylien välisistä voimista, mutta ne vahvistuvat a-atomien koon kasvaessa molekyyli kasvaa, ja niillä on rooli raskaiden materiaalien fysikaalisissa ominaisuuksissa atomien.

Hollantilaisen fyysikon Johannes Diderik Van der Waalsin ensin kuvaamat kolme molekyylien välistä voimaa ovat dipoli-dipolivoimat, dipolin aiheuttamat dipolivoimat ja Lontoon dispersiovoimat. Dipoli-dipoli-voimat, joihin molekyylissä on vetyatomi, ovat poikkeuksellisen vahvoja, ja syntyneitä sidoksia kutsutaan vetysidoksiksi. Van der Waalsin voimat auttavat antamaan materiaaleille niiden fyysiset ominaisuudet vaikuttamalla siihen, kuinka materiaalin molekyylit ovat vuorovaikutuksessa ja kuinka vahvasti ne pysyvät yhdessä.

Dipolivoimia sisältävät molekyylien väliset sidokset perustuvat kaikki varautuneiden molekyylien väliseen sähköstaattiseen vetovoimaan. Dipolimolekyyleillä on positiivinen ja negatiivinen varaus molekyylin vastakkaisissa päissä. Yhden molekyylin positiivinen pää voi houkutella toisen molekyylin negatiivisen pään muodostamaan dipoli-dipoli-sidoksen.

Kun dipolimolekyylien lisäksi materiaalissa on neutraaleja molekyylejä, dipolimolekyylien varaukset indusoivat varauksen neutraaleissa molekyyleissä. Esimerkiksi, jos dipolimolekyylin negatiivisesti varautunut pää tulee lähelle neutraalia molekyyliä, negatiivinen varaus hylkää elektroneja pakottaen ne kerääntymään neutraalin puolelle molekyyli. Tämän seurauksena neutraalin molekyylin lähellä dipolia olevalle puolelle kehittyy positiivinen varaus ja se vetää puoleensa dipoli. Tuloksena olevia sidoksia kutsutaan dipoli-indusoiduiksi dipolisidoksiksi.

Lontoon dispersiovoimat eivät vaadi polaarisen dipolimolekyylin läsnäoloa ja toimintaa kaikissa materiaaleissa, mutta ne ovat yleensä erittäin heikkoja. Voima on voimakkaampi suuremmille ja painavammille atomille, joissa on paljon elektroneja, kuin pienille atomille, ja se voi vaikuttaa materiaalin fyysisiin ominaisuuksiin.

Lontoon dispersiovoima määritellään heikkona vetovoimana johtuen dipolien väliaikaisesta muodostumisesta kahteen vierekkäiseen neutraaliin molekyyliin. Tuloksena olevat molekyylien väliset sidokset ovat myös väliaikaisia, mutta ne muodostuvat ja häviävät jatkuvasti, mikä johtaa yleiseen sitoutumisvaikutukseen.

Väliaikaiset dipolit muodostuvat, kun neutraalin molekyylin elektronit sattumalta kerääntyvät molekyylin toiselle puolelle. Molekyyli on nyt väliaikainen dipoli ja se voi joko indusoida toisen väliaikaisen dipolin viereisessä molekyylissä tai vetää puoleensa toisen molekyylin, joka on muodostanut väliaikaisen dipolin yksinään.

Kun molekyylit ovat suuria ja monia elektroneja, todennäköisyys, että elektronit muodostavat epätasaisen jakauman, kasvaa. Elektronit ovat kauempana ytimestä ja pidetään löyhästi. Ne kerääntyvät todennäköisemmin väliaikaisesti molekyylin toiselle puolelle, ja kun väliaikainen dipoli muodostuu, vierekkäisten molekyylien elektronit muodostavat todennäköisemmin indusoidun dipolin.

Materiaaleissa, joissa on dipolimolekyylejä, muut Van der Waalsin voimat hallitsevat, mutta valmistetuissa materiaaleissa kokonaan neutraaleista molekyyleistä, Lontoon dispersiovoimat ovat ainoat aktiiviset molekyylien väliset voimat. Esimerkkejä neutraaleista molekyyleistä koostuvista materiaaleista ovat jalokaasut, kuten neon, argon ja ksenoni. Lontoon dispersiovoimat ovat vastuussa nesteiksi kondensoituvista kaasuista, koska mikään muu voima ei pidä kaasumolekyylejä yhdessä. Kevyimmillä jalokaasuilla, kuten heliumilla ja neonilla, on erittäin alhaiset kiehumispisteet, koska Lontoon dispersiovoimat ovat heikot. Suurilla, painavilla atomeilla, kuten ksenonilla, on korkeampi kiehumispiste, koska Lontoon dispersiovoimat ovat vahvempia suurille atomille, ja ne vetävät atomeja yhteen muodostaen nesteen ylemmässä lämpötila. Vaikka Lontoon dispersiovoimat ovat yleensä suhteellisen heikkoja, ne voivat vaikuttaa erilaisten materiaalien fyysiseen käyttäytymiseen.