在一个化合物中,偶极-偶极相互作用和伦敦色散力是如何存在的?

时间:2021-05-05 09:49:20   作者:
我将尽量避免讨论量子力学的详细方面,并使用相应的数学。

这两种相互作用的起源是静电性质的(吸引和排斥):正电荷吸引负电荷(反之亦然),正电荷排斥正电荷,负电荷排斥负电荷。

从经典物理学的观点来看,在偶极子-偶极子相互作用的情况下,正负电荷强度随时间变化不大。另一方面,在伦敦色散相互作用中,由于电子(轻质量)和原子核(重)之间的迁移率差异,出现了“临时偶极子”(或振荡偶极子)。

几个例子和每个案例的讨论应该有助于澄清上面所说的内容。


关于偶极-偶极相互作用


图1(下图)表示了HCl分子中一种可能的相互作用构型:H原子上有一个净正电荷,而Cl原子上有一个负电荷。更准确地说,使用化学键的量子描述,化学键的电子电荷密度是不对称的,有更高的概率发现电子对(从每个原子一个)更接近氯,而不是氢原子。

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为什么会存在这种不对称性?


A1)不对称的起因是氯原子比氢原子更有吸引电子的倾向。这种倾向通常用原子的电负性来表示。对于氯,所谓的鲍林电负性是En(Cl)~ 3.2,而对于氢,是En(H) ~ 2.2电负性的差异与键的偶极矩强度有关。在卤化氢(HX, X可能是F, Cl, Br, I)的情况下,相关性是:

D (En(高频))= 3.98 - 2.2 = 1.78 m(高频)~ 1.8 D

D [En(HCl)] = 3.16 - 2.2 = 0.96 m(HCl) ~ 1.1 D

D [En(HBr)] = 2.96 - 2.2 = 0.76 m(HBr) ~ 0.8 D

D [En(HI)] = 2.66 - 2.2 = 0.46 m(HI) ~ 0.4 D

这清楚地显示了一个良好的相关性之间的差异,在电负性的元素涉及,和偶极矩的结果的键。

综上所述,预计HX分子间相互作用的偶极-偶极能级将遵循与偶极矩强度相同的趋势。显示这一证据的一个例子是HF和HBr的沸点。

m(HF) ~ 1.8 D Tboil(HF) ~ 293oK

m(HCl) ~ 1.1 D Tboil(HBr) ~ 207Ok


原子中的伦敦(弥散)力


如果你问自己:为什么诺贝尔气体的原子,比如氦,氖,氩,可以凝结并形成液相?这些原子之间的引力是多少?这些力量的来源是什么?

答案是:伦敦分散力!

从纯经典的观点来看,这些力与电子和原子核之间的重量差有很大关系。电子在原子周围不断地运动。与此同时,原子核也在运动。然而,由于它们的重量不同,电子移动得更快,并可能产生电荷不对称。

结果是一个临时的(瞬时的)偶极子:有更高的概率找到负电荷的区域(负电荷区域),或更低的概率找到负电荷的区域(相对而言,一个正区域)。

图2描述了原子中这种“瞬时的”和“临时的”偶极子。作用于原子之间的伦敦色散力(在下面的例子中,He原子)

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如前所述,偶极子的出现主要是由于电子和原子核之间的重量差异。在带电粒子(电子和原子核)的运动过程中,产生一个偶极子,并发生正负部分之间的静电吸引。这些图片是对氦原子情况下这个过程的描述,但它对任何其他类型的原子都是类似的。特别是对于氩原子。下面是对上述问题的回答:


氩(Ar)气体是如何液化的?


答案是:由于在每个原子中形成的这些“瞬时”偶极子,以及随之而来的相反符号区域之间的吸引力。这种“暂时的”(或“瞬时的”)静电吸引产生了所谓的伦敦色散力。

这些力有时被称为伦敦力,分散力,或两者的结合。

从所有关于这些“伦敦力”的起源和“出现”机制的论述来看,似乎可以很容易地在这些力的强度和所涉及原子的大小之间建立一种“趋势”。由于这些力量产生于相对运动的电子相对于原子核的差异,它预计,较重的原子核将更长的时间将存在这样的“临时”偶极子!这是因为更大、更重的原子核会“滞后”于“电子云”更长的时间,因为它们移动得更慢!例如,让我们比较作用于诺贝尔气体原子的伦敦力的相对强度。预计氙原子(原子质量,A.M. ~ 131。3)与氦原子(A.M. ~ 4.0)相比,它们将更大(更大吸引力)。

下表(表1)显示了所有诺贝尔气体的原子质量及其相应的沸点。

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果然,这些原子之间的伦敦色散力的强度与它们的原子质量或相应原子核的大小直接相关:它们越大,这些力的强度就越大,沸点就越高!


分子中的伦敦(分散)力


被描述为伦敦力在原子间出现的机制可以稍微调整来解释分子中的这些力。最简单的例子是同核分子中存在的伦敦引力,比如H2、N2、O2和类似的分子。

这些分子没有永久的偶极子:成键电子均匀地分布在原子之间。下图(图3)是H2分子中两个氢原子之间的化学键。

图3:两个h原子之间的共价化学键(电子点,lewis结构:经典模型)

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这是对化学键的最经典描述:每个H原子的一个电子共同努力使两个H成键,形成所谓的共价键,其中两个电子被原子共享。

一个更精确、更正确的方法是使用量子的观点来观察这个键。如下面的图4所示。

图4:h2分子共价化学键(电子云,量子模型)

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这种非常对称的电子云的原因,意味着电子对被原子平均共享,是由于原子是相同的。换句话说,它们具有相同的电负性,相同的吸引电子的倾向。

然而,我们也知道氢原子核(单个质子)大约比电子重1836倍。此外,原子不是静止的:它们会振动,向伙伴移动或远离伙伴,这一运动类似于将两个质量连接起来的拉伸弹簧被释放后发生的运动。在分子内部,这被称为分子振动。这种振动(周围有电子云的原子运动),以及电子和原子核之间的重量差异,导致了暂时的(瞬时的)电荷不对称。这种电荷不对称性是电偶极矩的本质。简而言之:即使对于不具有永久电荷不对称的物种(如同核双原子分子H2、O2、F2、Cl2),偶极矩也可能在短时间内突然出现,其结果是吸引附近的其他物种。因为这种“瞬时”偶极子无时无刻不在发生,所以总有可能两个相邻物种的偶极子带有相反的物理电荷。因此,静电吸引就会发生。这是分子中存在伦敦(分散)力的一种可能机制。

另一种可能性是,在特定的时刻,一个分子有这个偶极子,而经过的分子没有。在这种情况下,吸引力仍然是可能的:具有偶极子的物种的正区域将吸引另一个的电子云,使其更接近它。因此,另一个瞬时偶极子将在原来的中性物种中诱导出来。

图5 A和B表示上述两段所述的两种情况。

图5a:两种物质与临时偶极子的相互作用

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同一物种中偶极子对偶极子的吸引和伦敦分散


我相信(我真的希望它是真的),经过以上所有的讨论,你可能会意识到分子可能有一个偶极-偶极相互作用以及伦敦分散类型!

这种化学物质(主要是分子或自由基)必须具有的结构特征是:

1)一组原子将形成极性化学键,从而建立一个永久的电偶极矩。

2)这种化学物质的结构的另一部分应该包含不形成极性化学键的原子群。

首先想到的例子是有机酸!典型的羧酸,以脂肪烃为主链,其通式为CH3(CH2) n-COOH。例如,癸酸有10个碳原子,n = 8,最终的公式是C(9)H(19)(COOH),或C(10)H(20)O(2)。

图6:癸酸的化学结构

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为什么选择这类化学品?


两个主要原因。首先,我知道烃类链是极性极的或极性极低的。为什么?主要是因为碳原子和氢原子具有几乎相同的电负性,En(C) ~ 2.6, En(H) ~ 2.2, Delta(En) ~ 0.4,具有相似的吸引电子的倾向。因此,烃类链的极性很低。从之前的讨论,特别是第三部分,它们应该主要通过伦敦色散力相互作用。这将是由于C - H键上的临时(瞬时)偶极子,这是由于C和H核与电子相比的重量(和移动速度)的不同。

伦敦色散力将发生在非极性或极性很低的分子区域(化学键)之间。

现在对于偶极子-偶极子相互作用(以前也讨论过),机理将涉及分子的极性部分。当考虑羧酸时,我们知道,这些分子除了所有的非极性C-H键外,还含有羧基。该基团包含两种类型的碳氧键,它们都是极性的:En(O) ~ 3.5和En(C) ~ 2.5, Delta(En) ~ 1.0。此外,羧基还包含一个O - H键,也是极性的,δ [En(O) -En (H)] ~ 1.3。

下面的图7是本段所描述的乙酸(CH3-COOH)的简单情况的图示,两个这样的分子之间的相互作用。

图7a:羧酸基的偶极-偶极相互作用。

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这种情况下的伦敦色散力是由于相邻分子的两个CH3基团之间的相互作用。显然,LD势力在这种情况下是相对较弱的,只有一个极群(CH3)参与。

当比较羧酸与类似的脂肪烃链的一些物理性质时,与伦敦分散力强度的相关性是明显的。

下面的图7B是这种组的表示。R代表每种酸的脂肪烃链。

图7b:具有相似碳氢链结构的羧酸的一般公式

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因为在所有的分子中只有一个极性区(由于羧基),所有分子的偶极-偶极相互作用大致相同。因此,在每种情况下,物理属性应该与“作用”的LD力直接相关。

例如,让我们比较几种羧酸的沸腾温度,由图7B的公式表示,其中R有不同数量的碳原子。

LD力的强度与分子中非极性基团的长度之间的关系是明显的:链越长,沸点温度越高(图8中的一些结构,下面表2中的沸点T数据)。

图8:一些含脂肪烃链的羰基酸的化学结构

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表2:一些羧酸(结构相似)及其沸点

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另一个类似的例子是确定偶极-偶极相互作用和伦敦分散力作用于卤代烃。例如,1 -氯辛烷(下式):

图9:1 -氯辛烷分子结构

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到目前为止,您应该确切地知道每种类型的交互应该(主要)发生在哪里,以及为什么了吧。
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