Proč se teploty tání a varu vzácných plynů zvyšují, když se zvyšuje jejich atomové číslo?

Jak bylo zmíněno v jiných odpovědích, disperzní síla je zodpovědná za to, že vzácné plyny tvoří kapaliny. Výpočet teploty varu je nyní nastíněn po několika obecných poznámkách o disperzní síle.

Disperzní síla (nazývaná také Londonova, nábojově-fluktuační, indukovaná-dipólová) je univerzální, stejně jako gravitace, protože působí mezi všemi atomy a molekulami. Dipólové síly mohou mít dlouhý dosah, >10 nm až přibližně 0,2 nm v závislosti na okolnostech, a mohou být přitažlivé nebo odpudivé.

Ačkoli je disperzní síla kvantově mechanického původu, lze ji chápat takto: pro nepolární atom, jako je argon, je časový průměr dipólu nulový, přesto v každém okamžiku existuje konečný dipól daný okamžitou polohou elektronů vzhledem k jádru. Tento okamžitý dipól vytváří elektrické pole, které může polarizovat jiný téměř atom, a tak v něm vyvolat dipól. Výsledná interakce mezi těmito dvěma dipóly dává vzniknout okamžité přitažlivé síle mezi oběma atomy, jejíž časový průměr není nulový.

Disperzní energii odvodil London v roce 1930 pomocí kvantově mechanické teorie poruch. Výsledek je

$$U(r)=-\frac{3}{2}\frac{\alfa_0^2I}{(4\pi\epsilon _0)^2r^6}=-\frac{C_{\mathrm{disp}}}{r^6}$

Jak je vidět ze vzorce, energie závisí na součinu kvadrátu polarizovatelnosti, tj.tj. objemu molekuly nebo atomu a jeho ionizační energie, a také na reciproké šesté mocnině separace molekul/atomů. V kapalině vzácných plynů lze toto oddělení považovat za atomový poloměr $r_0$. Závislost je tedy mnohem složitější než jen velikost, viz tabulka hodnot níže. Zvýšení polarizovatelnosti s rostoucím atomovým číslem je poněkud kompenzováno snížením ionizační energie a zvýšením atomového poloměru.

Pokud se experimentální hodnoty dosadí do Londonovy rovnice, lze vypočítat přitažlivou energii. Kromě toho lze bod varu odhadnout ztotožněním Londonovy energie s průměrnou tepelnou energií jako $U(r_0)=3k_\mathrm{B}T/2$, kde $k_\mathrm B$ je Boltzmannova konstanta a $T$ teplota. Příslušné parametry jsou uvedeny v následující tabulce, přičemž hodnoty v závorkách jsou experimentální hodnoty:

Shoda s daty je velmi dobrá, možná je to náhoda, ale jedná se o sférické atomy vykazující pouze disperzní síly a očekává se dobrá korelace s experimentem. Existují však odpudivé síly krátkého dosahu, které jsou ignorovány, stejně jako přitažlivé síly vyššího řádu. Nicméně to ukazuje, že disperzní síly mohou poměrně úspěšně vysvětlit trend varu.

  1. Israelachvili, J. N. Intermolecular and Surface Forces, 3rd ed.; Academic Press: Burlington, MA, 2011; str. 110.

.

Napsat komentář