پیوند واندروالسی چیست؟ – توضیح به زبان ساده

پیوند واندروالسی چیست ؟

• نیروی پراکندگی لاندن: این نیرو ضعیف است.
• نیروی دوقطبی-دوقطبی: این نیرو نسبت به نیروی پراکندگی لاندن قوی‌تر است.

نیروی واندروالسی صحیح است یا پیوند واندروالسی ؟

واندروالس به نیروی برهم‌کنش بین مولکولی بین دو ذره اشاره دارد و هیچ پیوندی در برقراری این برهمکنش ایجاد نمی‌شود بنابراین می‌توانیم با اطمینان بگوییم که واندروالس پیوند نیست. در واقع عبارت پیوند واندروالسی غلط مصطلحی است که در زبان فارسی به‌کار می‌رود. در این متن دو عبارت «پیوند واندروالسی» و «نیروی واندروالسی» یک مفهوم را بیان می‌کنند و هر جا از پیوند واندروالسی استفاده شد، منظور همان نیروی برهم‌کنش ضعیف بین‌مولکولی واندروالسی است.

نیروی واندروالسی چگونه به وجود می آید ؟

• برهم‌کنش دو دوقطبی دائمی: مولکول هیدروکلریک اسید $$(HCl)$$ مثالی از این مورد است.
• برهم‌کنش دوقطبی دائمی با ذره بی‌بار: این مورد باعث به‌وجود آمدن دوقطبی القایی می‌شود.
• برهم‌کنش دوقطبی ذاتی با ذره بی‌بار: دوقطبی ذاتی باعث دوقطبی شدن ذره بدون بار می‌شود.

قدرت پیوند واندروالسی

• زمانی که فاصله بین اتم‌ها بیشتر از ۰٫۶ نانومتر باشد، نیروی واندروالسی بسیار ضعیف است و مشاهده نمی‌شود.
• زمانی که فاصله بین دو اتم درگیر بین ۰٫۴ نانومتر و ۰٫۶ نانومتر باشد، نیروی واندروالسی از نوع جاذبه است.
• زمانی که این فاصله کمتر از ۰٫۴ نانومتر باشد، نیروی واندروالسی از نوع دافعه خواهد بود.

انواع پیوند واندروالسی

نیروی ضعیف بین‌مولکولی واندروالسی انواع مختلفی دارد اما می‌توان در حالت کلی آن را به دو دسته تقسیم کرد. بقیه انواع این نیرو همه زیرشاخه‌های این دو هستند. در ادامه به معرفی هر کدام از آن‌ها به‌صورت جداگانه و به‌تفضیل خواهیم پرداخت.

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

نیروی پراکندگی لاندن

نیروی دوقطبی-دوقطبی

پیوند هیدروژنی

قطبش پذیری

این روند به این دلیل است که با افزایش جرم مولکولی، تعداد الکترون‌های موجود در ساختار نیز بیشتر می‌شود. با داشتن تعداد بیشتری الکترون، آن‌هایی که در لایه بیرونی قرار دارند کمتر تحت تاثیر نیروی هسته با بار مثبت هستند و می‌توانند راحت‌تر جدا شوند. نیروی هسته با بار مثبت برای الکترون‌ها جاذبه ایجاد می‌کند و جدایی آن‌ها در این صورت سخت‌تر خواهد بود.

الکترونگاتیوی عکس قطبش‌پذیری است و به‌صورت تمایل اتم‌ها به کشیدن الکترون و بار الکترونی به سمت خود تعریف می‌شود. الکترونگاتیوی در جدول تناوبی عناصر در بالای سمت راست بیشترین مقدار خود را دارد، یعنی بیشترین الکترونگاتیوی مربوط به عنصر فلوئور $$(F)$$ و کمترین مربوط به عنصر فرانسیم $$(Fr)$$ است. این شاخصه باعث به وجود آمدن قطبیت درون یک مولکول می‌شود به‌صورتی که اگر اختلاف الکترونگاتیوی دو اتم درگیر از ۰٫۵ بیشتر باشد آن مولکول قطبی خواهد بود. با این‌حال اگر چنین شرایطی در مولکولی متقارن وجود داشته باشد، ناقطبی خواهد بود. در این مورد مثالی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

این مولکول وقتی در کنار مولکول دیگری قرار می‌گیرد سر مثبت آن را به سمت فلوئور جذب می‌کند. همان‌طور که می‌دانیم سرهای هم‌نام یکدیگر را دفع و سرهای ناهم‌نام یکدیگر را جذب می‌کنند.

علت وجود پیوند واندروالسی

فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ در فرادرس

کلیک کنید

این دو اصل مهم مکانیک کوانتومی جابه‌جایی دائم الکترون‌ها را در اتم پیشنهاد می‌دهند بنابراین دوقطبی شدن آن امری بسیار محتمل است. بنابر تعریف دوقطبی مولکول یا اتمی است گه در دو طرف خود بار الکتریکی برابر و خلاف جهت دارد. به‌‌صورت ساده می‌توان یک دو قطبی را مانند تصویر زیر نمایش داد.

نحوه تشکیل دوقطبی را در تصویر بالا مشاهده می‌کنید. زمانی که گروهی از الکترون‌ها به یک سمت از مولکول می‌روند، نتیجه به‌وجود آمدن دوقطبی است. باید توجه داشته باشید که این الکترون‌ها بعد از تشکیل دو قطبی در جای خود ثابت باقی نمی‌مانند و مدام در دو طرف مولکول جابه‌جا می‌شوند. بنابراین دوقطبی دیگری با تعویض سر مثبت و منفی به‌وجود می‌آید. این دوقطبی را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد.

انواع برهمکنش دوقطبی دوقطبی

این برهم‌کنش بین مولکول‌هایی که دارای دوقطبی دائمی هستند، اتفاق می‌افتد. به این مولکول‌ها به‌اصطلاح مولکول «قطبی» (Polar) نیز می‌گویند. برهمکنش بین دو مولکول قطبی را می‌توان به‌صورت تصویرهای زیر نمایش داد.

برای محاسبه انرژی این دو برهمکنش می‌توان از دو معادله زیر استفاده کرد. برای درک ابتدا بهتر هر کدام از پارامترهای معادله را معرفی می‌کنیم.

• $$V$$: انرژی پتانسیلی
• $$\mu$$: ممان دوقطبی
• $$epsilon_o$$: گذردهی خلاء
• $$\pi$$: عدد پی
• $$r$$: فاصله بین دو هسته

معادله محاسبه انرژی پتانسیلی برای تصویر اول:

$$V = -dfrac{2mu_Amu_B}{4piepsilon_o r^3}$$

معادله محاسبه انرژی پتانسلی برای تصویر دوم:

$$V = -dfrac{mu_Amu_B}{4piepsilon_o r^3}$$

علامت منفی معادلات نشان‌دهنده این است که سیستم انرژی آزاد می‌کند اما این انرژی با تشکیل پیوند است که آزاد می‌شود. همچنین علامت منفی یعنی که برهم‌کنش به کمک نیروی جاذبه پیش می‌رود. (علامت مثبت نشان‌دهنده وجود نیروی دافعه است.) اگر تمامی شرایط برای دو تصویر بالا یکسان باشد، دومی انرژی پتانسیلی بیشتری خواهد داشت زیرا در آن هر دو سر مثبت و منفی درگیر هستند.

دو قطبی القایی

با وجود اینکه این دو اتم با یکدیگر برهم‌کنش دارند اما دوقطبی بودنشان ثابت نیست. همان‌طور که پیش‌تر گفتیم الکترون‌ها در حرکت هستند و این امکان تغییر دو سر مثبت و منفی را به‌وجود می‌آورد. حرکت الکترون‌ها در این وضعیت به‌ گونه‌ای خواهد بود که هر دو اتم دوقطبی بودن خود را حفظ کنند. در تصویر زیر این تغییر را مشاهده می‌کنید. سر مثبت و منفی هر اتم با یکدیگر جابه‌جا شده است.

انرژی برهم‌کنش دوقطبی القایی با دو قطبی ذاتی را می‌توان با معادله زیر به دست آورد. تمام پارامترهای این معادله مانند معادله‌های قبلی است. تنها یک پارامتر جدید آورده شده است که در پایین مفهوم آن را روشن می‌کنیم.

• $$\alpha$$: قطبش‌پذیری مولکول غیرقطبی

$$V = -dfrac{alphamu^2}{4piepsilon_o r^6}$$

آلفا نشان‌دهنده این است میزان سختی تغییر چگالی الکترونی یک اتم توسط میدان الکتریکی خارجی است.

برهمکنش دوقطبی القایی با دوقطبی ذاتی

به برهم‌کنش دوقطبی القایی با دوقطبی ذاتی نیز پراکندگی می‌گویند. شبکه بزرگی از نیروهای بین‌مولکولی بین مولکول‌ها و اتم‌های غیرقطبی و قطبی وجود دارد. خود اتم‌هایی که به روش القایی دوقطبی شده‌اند، یعنی دوقطبی القایی هستند می‌توانند باعث دوقطبی شدن اتم‌های دیگری شوند. به این صورت شبکه بزرگی از اتم‌های دوقطبی نزدیک به هم خواهیم داشت. در تصویر زیر می‌توانید این گفته را مشاهده کنید. یک اتم دوقطبی ذاتی در ابتدای شبکه باعث ایجاد دوقطبی القایی در تمام اتم‌های بعدی شده است. در واقع هر اتم ابتدا خود دوقطبی می‌شود و سپس اتم‌ غیرقطبی کناری خود را قطبی می‌کند.

انرژی برهم‌کنش دوقطبی القایی با دوقطبی القایی را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد. توجه داشته باشید که پارامترهایی که مشخص نشده‌اند در معادلات قبلی حضور داشتند و در این معادله نیز به همان مفاهیم به‌کار گرفته شده‌اند.

• $$I$$: انرژی یونش اول مولکول

$$V = -dfrac{3}{2}\dfrac{I_aI_b}{I_a + I_b}\dfrac{alpha_aalpha_b}{r^6}$$

از آنجا که شعاع در این معادله به توان ۶ می‌آید و در مخرج معادله قرار دارد، با کوچک‌ترین افزایش در آن‌،‌ انرژی پتانسیلی کاهش چشم‌گیری خواهد داشت.

معادله واندروالس

• $$V$$: حجم گاز مورد نظر
• $$a$$: بزرگی جاذبه بین مولکول‌ها و اتم‌ها
• $$P$$: فشار اعمال شده
• $$R$$: ثابت گازها که برابر با ۰٫۰۸۲۰۶ لیتر بر مول بر کلوین است.
• $$n$$: تعداد مول‌های گاز
• $$T$$: دما
• $$b$$: حجم حذف شده توسط یک مول از ذرات

$$\left (P+frac{n^2a}{V^2} \right ) \left (V-nb \right )=nRT$$

برخلاف بسیاری از معادلاتی که برای اندازه‌گیری گاز‌های واقعی و ایده‌آل به کار می‌روند، معادله واندروالسی حجم دخیل گاز را مورد محاسبه قرار می‌دهد.

این معادله را می‌توان به‌صورت زیر نیز نمایش داد.

$$P=\frac{RT}{\bar{V}-b}-frac{a}{\bar{V}^2} \nonumber$$

این معادله را می‌توان به کمک بسط دوجمله‌ای نیوتون نوشت.

$$\frac{1}{1-x}=1+x+x^2+cdots \nonumber$$

معادله واندروالسی به‌صورت زیر درمی‌آید.