Lực London (London dispersion forces)

Nguyên nhân

Lực London phát sinh từ sự chuyển động ngẫu nhiên của các electron trong một phân tử. Tại bất kỳ thời điểm nào, sự phân bố electron có thể không đều, tạo ra một lưỡng cực tạm thời với một đầu mang điện tích dương nhẹ và đầu kia mang điện tích âm nhẹ. Lưỡng cực tạm thời này có thể cảm ứng một lưỡng cực tương tự trong một phân tử lân cận, dẫn đến một lực hút yếu giữa chúng. Sức mạnh của lực London phụ thuộc vào số lượng electron trong phân tử và hình dạng của phân tử. Phân tử càng lớn và càng dễ bị phân cực (polarizable), lực London càng mạnh. Ví dụ, các phân tử dài, thẳng dễ bị phân cực hơn các phân tử nhỏ, gọn, do đó chúng có lực London mạnh hơn.

Đặc điểm

• Yếu: Lực London là loại lực liên phân tử yếu nhất.
• Tạm thời: Bản chất của lực London là tạm thời và dao động liên tục do sự chuyển động liên tục của electron.
• Phụ thuộc vào khả năng phân cực: Khả năng phân cực của một phân tử là thước đo mức độ dễ dàng mà đám mây electron của nó có thể bị biến dạng. Phân tử càng lớn và càng phức tạp thì khả năng phân cực càng cao và lực London càng mạnh. Điều này có nghĩa là các phân tử có nhiều electron hơn sẽ có lực London mạnh hơn.
• Tăng theo khối lượng phân tử: Nói chung, khối lượng phân tử càng lớn thì số electron càng nhiều, dẫn đến lực London lớn hơn.
• Ảnh hưởng đến điểm sôi và điểm nóng chảy: Mặc dù yếu, lực London đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điểm sôi và điểm nóng chảy của các chất, đặc biệt là các chất không phân cực. Các phân tử có lực London mạnh hơn sẽ có điểm sôi và điểm nóng chảy cao hơn.
• Tương tác giữa tất cả các loại phân tử: Không giống như các lực liên phân tử khác như liên kết hydro hoặc lực lưỡng cực-lưỡng cực, lực London tồn tại giữa tất cả các loại phân tử, bao gồm cả các phân tử không phân cực.

Ví dụ

• Lực London là lực liên phân tử chính giữa các phân tử khí hiếm như helium (He), neon (Ne) và argon (Ar), cho phép chúng tồn tại ở dạng lỏng ở nhiệt độ rất thấp.
• Lực London đóng góp vào lực hút giữa các phân tử hydrocacbon không phân cực như metan (CH₄), etan (C₂H₆) và propan (C₃H₈). Chuỗi cacbon càng dài, lực London càng mạnh và điểm sôi càng cao.

So sánh với các lực liên phân tử khác

Lực London là lực hút yếu, tạm thời giữa các phân tử do sự dao động của mật độ electron. Mặc dù yếu, chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều tính chất vật lý của các chất, đặc biệt là các chất không phân cực.

Mô hình toán học

Mặc dù bản chất phức tạp, lực London có thể được mô hình hóa một cách đơn giản. Lực hút giữa hai phân tử không phân cực tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bảy của khoảng cách giữa chúng (r):

$F \propto \frac{1}{r^7}$

Năng lượng tương tác (U) tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc sáu của khoảng cách:

$U \propto -\frac{1}{r^6}$

Công thức này cho thấy lực London giảm nhanh chóng theo khoảng cách.

Vai trò của lực London trong các hệ thống sinh học

Lực London đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống sinh học. Ví dụ, chúng góp phần vào sự ổn định của màng tế bào, sự gấp cuộn protein và sự tương tác giữa các phân tử sinh học. Sự tương tác yếu nhưng cộng gộp của lực London trong các đại phân tử có thể tạo ra hiệu ứng đáng kể.

Ảnh hưởng của hình dạng phân tử

Hình dạng phân tử cũng ảnh hưởng đến cường độ của lực London. Các phân tử dài, thẳng có thể tương tác với nhau trên một diện tích bề mặt lớn hơn so với các phân tử hình cầu, dẫn đến lực London mạnh hơn. Ví dụ, n-pentan (chuỗi thẳng) có điểm sôi cao hơn isopentan (chuỗi phân nhánh) mặc dù cả hai đều có cùng công thức phân tử C₅H₁₂.

Lực London và hiệu ứng kỵ nước

Lực London cũng đóng vai trò trong hiệu ứng kỵ nước, là xu hướng của các phân tử không phân cực kết tập lại với nhau trong môi trường nước. Hiệu ứng này là do sự giảm entropy của nước khi nó bao quanh các phân tử không phân cực. Sự kết tập của các phân tử không phân cực làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc với nước, do đó làm tăng entropy của hệ thống. Nói cách khác, lực London góp phần làm ổn định sự tương tác giữa các phân tử kỵ nước trong nước.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao lực London còn được gọi là lực phân tán?

Trả lời: Lực London được gọi là lực phân tán vì chúng phát sinh từ sự phân bố tức thời và không đều của mật độ electron trong một phân tử. Sự phân bố không đều này tạo ra các lưỡng cực tạm thời, “phân tán” điện tích và cảm ứng lưỡng cực trong các phân tử lân cận.

Làm thế nào để khả năng phân cực ảnh hưởng đến cường độ của lực London?

Trả lời: Khả năng phân cực là thước đo mức độ dễ dàng mà đám mây electron của một phân tử có thể bị biến dạng. Phân tử càng dễ bị phân cực thì lực London càng mạnh. Các phân tử lớn hơn với nhiều electron thường dễ bị phân cực hơn, do đó có lực London mạnh hơn.

So sánh và đối chiếu lực London với các loại lực van der Waals khác.

Trả lời: Lực van der Waals bao gồm lực London (lực phân tán), lực lưỡng cực-lưỡng cực, và liên kết hydro (một trường hợp đặc biệt của lực lưỡng cực-lưỡng cực). Lực London có mặt ở tất cả các phân tử, trong khi lực lưỡng cực-lưỡng cực chỉ xuất hiện ở phân tử phân cực. Liên kết hydro là loại lực van der Waals mạnh nhất, xảy ra khi hydro liên kết với các nguyên tử có độ âm điện cao như flo, oxy hoặc nitơ. Lực London thường yếu nhất trong ba loại lực này.

Nếu lực London yếu như vậy, tại sao chúng lại quan trọng?

Trả lời: Mặc dù yếu, lực London có vai trò quan trọng vì chúng hiện diện ở tất cả các phân tử. Trong các phân tử lớn hoặc ở nhiệt độ thấp, lực London cộng gộp có thể trở nên đáng kể. Chúng ảnh hưởng đến nhiều tính chất vật lý như điểm sôi, điểm nóng chảy, độ nhớt, và thậm chí cả sự gấp cuộn protein và sự ổn định của màng tế bào.

Công thức $U propto -\frac{1}{r^6}$ cho chúng ta biết điều gì về năng lượng tương tác của lực London?

Trả lời: Công thức này cho biết năng lượng tương tác (U) của lực London tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc sáu của khoảng cách (r) giữa hai phân tử. Điều này có nghĩa là năng lượng tương tác giảm rất nhanh khi khoảng cách giữa các phân tử tăng. Nói cách khác, lực London chỉ có tác dụng ở khoảng cách rất ngắn. Dấu âm chỉ ra rằng tương tác là lực hút.