Varför attraherar och repellerar atomer varandra?
Atomer av ädelgaser som neon och argon har ingen laddning och bildar inga kemiska bindningar med varandra. Ändå blir neon flytande vid −246°C och argon vid −186°C. En vätska kan bara bildas om det finns en attraktionskraft mellan atomerna.
Den här svaga attraktionen kallas van der Waals-kraft. Elektronerna i en atom rör sig hela tiden, så i vissa ögonblick finns det fler elektroner på ena sidan av atomen. Atomen får då en tillfällig positiv sida och negativ sida, och den attraherar en närliggande atom. Om två atomer kommer för nära varandra överlappar deras elektronskal, och de repellerar varandra starkt.
| Avstånd mellan atomerna | Kraft | På kurvan |
|---|---|---|
| Kortare än jämviktsavståndet | Repulsionen dominerar | Kurvan stiger brant |
| Jämviktsavståndet | Attraktion och repulsion är lika stora | Den lägsta punkten |
| Längre än jämviktsavståndet | Attraktionen dominerar och försvagas när avståndet ökar | Kurvan närmar sig noll |
Hur läser du potentialenergikurvan?
Simulatorn ritar kurvan med Lennard-Jones-formeln: V(r) = 4ε[(σ/r)¹² − (σ/r)⁶]. Här är r avståndet mellan atomerna. Den första termen inom hakparentesen står för repulsionen och den andra för attraktionen.
- σ (sigma): det avstånd där potentialenergin är noll. Ju större atomen är, desto större är σ.
- ε (epsilon): djupet på kurvans lägsta del, även kallat potentialgropens djup. Ju djupare gropen är, desto starkare attraherar atomerna varandra.
- Jämviktsavstånd: det avstånd där de två krafterna balanserar varandra. Det är 1.12 gånger σ. En atom svänger runt det här avståndet.
Testa attraktion mellan atomer i appen Nalukh chem
Ändra avståndet mellan atomerna och följ punkten på kurvan. Simulatorn ingår när du har full tillgång. Appen är gratis att ladda ner, och 2 kapitel och 5 simulatorer är öppna utan registrering.
Hur använder du simulatorn?
- Välj ett par i listan ATOMER till höger. I varje par är den första atomen fast och den andra rörlig.
- I den nedre delen drar du fingret åt höger eller vänster för att ändra avståndet mellan de två atomerna. När du lyfter fingret börjar den rörliga atomen svänga.
- I grafen överst följer du punkten som har samma färg som den rörliga atomen. Punkten rör sig längs kurvan och visar aktuellt avstånd och aktuell energi. Knapparna + och − vid sidan zoomar in och ut på energiaxeln.
- Slå på alternativet Visa krafter. En röd pil som pekar bort från den fasta atomen betyder repulsion, och en blå pil som pekar mot den betyder attraktion.
- Använd uppspelningsknappen för att stoppa rörelsen och välj hastighet med knapparna Normal och Långsamt.
- Om du väljer raden Justera visas reglaget Attraktionskraft, och du kan själv ändra ε.
Uppgifter att prova i simulatorn
- Jämför kurvorna för paren Ne – Ne och Ar – Ar. Argon har större σ och en djupare grop. Därför blir argon flytande vid en högre temperatur än neon.
- Dra atomen närmare än σ och lyft fingret. Atomen stöts bort kraftigt och rör sig ut till områdets högra kant.
- Flytta atomen lite längre bort än jämviktsavståndet och lyft fingret. Atomen svänger inne i potentialgropen. Följ punktens rörelse i läget Långsamt.
- Välj raden Justera och dra reglaget Attraktionskraft åt höger. Gropen blir djupare, men σ ändras inte.
Vanliga missuppfattningar
- Van der Waals-kraften är ingen kemisk bindning. Kovalenta bindningar inne i en molekyl är mycket starkare. Därför bryts bara attraktionen mellan molekylerna när en vätska kokar, medan molekylerna själva inte faller isär.
- Paret O – O är inte en O2-molekyl. I verkligheten bildar två syreatomer en dubbelbindning. Den här kurvan visar inte den bindningen, utan bara svag attraktion och repulsion.
- Grafens axlar har inga tal. Simulatorn visar bara relativa värden, så jämför paren utifrån kurvornas form.
