A legnehezebben cseppfolyósítható gázok atomjai, molekulái között is kell lennie valamilyen kölcsönhatásnak. A hőmozgás mellett nem érvényesülnek azok a gyenge elektromos erők, melyek a nemesgázatomokat vagy szimmetrikus molekulákat összeköthetik. Animációval mutatjuk be a kölcsönhatás kialakulásának elvét.
A molekulák közötti (intermolekuláris) kötéstípusok között a diszperziós a leggyengébb. Ezt a kötéstípust, illetve kölcsönhatást felfedezőjéről van der Waals-féle kötésnek is nevezik.
Az intermolekuláris kötés
Az intermolekuláris kötés egy molekula és annak egy szomszédja között hat. (A molekulán belüli, jóval erősebb kapcsolatot intermolekuláris kötésnek hívják.)
Minden molekulahalmazban van intermolekuláris kölcsönhatás, de sokszor ez nagyon gyenge, nehezen mutatható ki. Ha a gázokban hűtéssel lelassítjuk a molekulákat, akkor a molekulák közötti kölcsönhatás elegendően nagy lesz, hogy a részecskék folyadékká, majd szilárd anyaggá álljanak össze.
A hidrogéngázban a kölcsönhatás annyira gyenge, hogy a hőmozgás miatt a molekulák csak 21 K (-252,7 oC) alatt képesek tartósan összekapcsolódni folyadékká.
A diszperziós kötés elektromos típusú kölcsönhatás.
Az összetartó erő nagyon gyenge, az atomok, illetve molekulák indukált dipólusainak kölcsönhatásból származik, és a távolsággal gyorsan csökken.
Egy szimmetrikus molekulában hosszabb idő átlagában a pozitív és negatív töltések nem különülnek el.
Az egyenletes színezés jelöli, hogy nincs elektromos töltés.
A pályán belül az elektron megtalálási valószínűsége egyes részeken egy-egy pillanatban az átlagnál nagyobb lehet. Itt a molekula negatívvá válik, és vele ellentétesen, az elektronhiány miatt pozitívvá.
A következő pillanatban az elektronok tovább mozdulnak és a molekula polaritása ellentétesre változik.
Ez az elektronmegtalálási fluktuáció gyorsan változó töltéseloszlást eredményez.
Hogyan következik az ideiglenes dipólus szerkezetből az intermolekuláris kölcsönhatás?
Ha az ideiglenes polaritású molekula megközelít egy másik molekulát, akkor a részleges töltése már elősegíti annak a töltéspolarizációját és végül átmenetileg fellépő dipólus kölcsönhatást eredményez.
Rövid idő múlva a jobb oldali molekulában az elektronok elmozdulásával a polaritás megváltozik és ezzel együtt az indukáló hatás is.
Ha a molekulák közel vannak egymáshoz, akkor a polaritásváltás szinkronizálódik és ezzel a molekulákat összetartó erő már értelmezhető. Az indukált polaritásváltás révén létrejött kölcsönhatás nagy számú molekula között is létrejöhet.
Az ábrán egy molekularácsos halmaz szerkezetét látjuk vázlatosan. A molekulákat az elektromos kölcsönhatás kapcsolja össze. A következő pillanatban a töltéseloszlás egészen más lesz, de a változás szinkronizálva megy végbe.
Az indukált polaritásváltás animációja
A diszperziós erők nagysága
A diszperziós kölcsönhatás pontos mértéke nem adható meg könnyen, de összehasonlításul a kovalens kötésnél sokkal gyengébb. Nagysága elsősorban a molekulák méretétől és alakjától függ.
| Olvadáspont (oC) | Forráspont (oC) | |
| He hélium | -272 | -269 |
| Ne neon | -249 | -246 |
| Ar argon | -189 | -186 |
| Kr kripton | -157 | -152 |
| Xe xenon | -112 | -108 |
| Rn radon | -71 | -62 |
A nemesgázok molekularácsban kristályosodnak, ezért egy atomos molekuláknak tekintjük őket. Az elektronok számának növekedésével az atomok mérete nő és így nagyobb térrészben mozoghatnak, jelentősebb lehet a töltéselkülönülés, polarizáció. Ennek erősebb diszperziós kölcsönhatás az eredménye. Kevésbé kell hűteni az ilyen anyagot a cseppfolyósításhoz.
Johannes Diderik van der Waals
(Leiden, 1837. január I3. - Amszterdam, 1923. március 9.) holland fizikus. A fizikai Nobel-díjat 1910-ben kapta "a gázok és folyadékok állapotegyenletével kapcsolatos munkásságáért".
Link:
Siegler Gábor
