Siły Van der Waalsa: właściwości i składniki

Cząsteczki mają energię, więc są zawsze w ruchu. To generuje dipole elektryczne. PASIEKA/SPL, Getty Images

Siły Van der Waalsa to słabe siły, które przyczyniają się do międzycząsteczkowy wiązanie pomiędzy Cząsteczki . Cząsteczki z natury posiadają energię, a ich elektrony są zawsze w ruchu, więc przejściowe koncentracje elektronów w tym czy innym regionie prowadzą do przyciągania elektrycznie dodatnich obszarów cząsteczki do elektronów innej cząsteczki. Podobnie, ujemnie naładowane regiony jednej cząsteczki są odpychane przez ujemnie naładowane regiony innej cząsteczki.

Siły Van der Waalsa są sumą przyciągających i odpychających sił elektrycznych między atomami i cząsteczkami. Siły te różnią się od wiązania kowalencyjnego i jonowego, ponieważ wynikają z wahań gęstości ładunku cząstek. Przykłady sił van der Waalsa obejmują wiązanie wodorowe , Sił dyspersyjnych oraz oddziaływania dipol-dipol.

Kluczowe dania na wynos: Siły Van der Waalsa

• Siły Van der Waalsa to zależne od odległości siły między atomami i cząsteczkami, które nie są związane z kowalencyjnymi lub jonowymi wiązaniami chemicznymi.
• Czasami termin ten obejmuje wszystkie siły międzycząsteczkowe, chociaż niektórzy naukowcy zaliczają do nich tylko siłę dyspersyjną Londynu, siłę Debye'a i siłę Keesoma.
• Siły Van der Waalsa są najsłabszymi siłami chemicznymi, ale nadal odgrywają ważną rolę we właściwościach cząsteczek i w nauce o powierzchni.

Właściwości sił Van der Waalsa

Siły van der Waalsa wykazują pewne cechy:

• Są addytywne.
• Są słabsze niż wiązania jonowe lub kowalencyjne.
• Nie są kierunkowe.
• Działają tylko w bardzo krótkim zasięgu. Interakcja jest większa, gdy cząsteczki zbliżają się.
• Są one niezależne od temperatury, z wyjątkiem oddziaływań dipol-dipol.

Komponenty Sił Van der Waalsa

Siły Van der Waalsa są najsłabsze siły międzycząsteczkowe . Ich siła zazwyczaj waha się od 0,4 kilodżuli na mol (kJ/mol) do 4 kJ/mol i działa na odległości poniżej 0,6 nanometra (nm). Gdy odległość jest mniejsza niż 0,4 nm, efekt netto sił jest odpychający, ponieważ chmury elektronów odpychają się nawzajem.

Istnieją cztery główne wkłady do sił van der Waalsa:

1. Składnik ujemny zapobiega zapadaniu się cząsteczek. Wynika to z Zasada wykluczenia Pauliego .
2. Między stałymi ładunkami zachodzi albo przyciągające, albo odpychające oddziaływanie elektrostatyczne, dipole , kwadrupole i multipole. Ta interakcja nazywa się interakcją Keesom lub siłą Keesom, nazwaną na cześć Willema Hendrika Keesoma.
3. Występuje indukcja lub polaryzacja. Jest to siła przyciągania między stałą polaryzacją jednej cząsteczki a indukowaną polaryzacją drugiej. Ta interakcja nazywana jest siłą Debye'a, dla Petera J.W. Pożegnaj.
4. Siła dyspersyjna Londynu to przyciąganie pomiędzy dowolną parą cząsteczek z powodu natychmiastowej polaryzacji. Siła nosi imię Fritza Londona. Zauważ, że nawet cząsteczki niepolarne doświadczają dyspersji w Londynie.

Siły Van der Waalsa, gekony i stawonogi

Gekony, owady i niektóre pająki mają szczeciny na poduszkach łap, które pozwalają im wspinać się po wyjątkowo gładkich powierzchniach, takich jak szkło. W rzeczywistości gekon może nawet zwisać z jednego palca! Naukowcy przedstawili kilka wyjaśnień tego zjawiska, ale okazuje się, że główną przyczyną adhezji, bardziej niż siły van der Waalsa lub działanie kapilarne, sąsiła elektrostatyczna.

Naukowcy wyprodukowali suchy klej i taśmę samoprzylepną na podstawie analizy stóp gekona i pająka. Lepkość wynika z maleńkich włosków przypominających rzepy i lipidów znajdujących się na stopach gekonów.

Stopy gekonów są lepkie z powodu sił van der Waalsa, sił elektrostatycznych i lipidów znajdujących się na ich skórze. StephanHoerold / Getty Images

Prawdziwy Spider-Man

W 2014 roku Agencja Obronnych Zaawansowanych Projektów Badawczych (DARPA) przetestowała swój inspirowany gekonem materiał Geckskin oparty na szczecinach gekon podnóżki i przeznaczone do nadania personelowi wojskowemu zdolności podobnych do Spider-Mana. 220-funtowy naukowiec niosący dodatkowe 45 funtów sprzętu z powodzeniem wspiął się na 26-metrową szklaną ścianę za pomocą dwóch wioseł wspinaczkowych.

Naukowcy znaleźli sposób na wykorzystanie sił van der Waalsa, aby pomóc ludziom przylgnąć do gładkich powierzchni, takich jak szkło i ściany. OrangeDuke Productions / Getty Images

Źródła

• Kellar, Jesień i in. „Dowód na adhezję Van der Waalsa u gekonów”. Materiały Narodowej Akademii Nauk , tom. 99, nie. 19, 2002, 12252-6. doi:10.1073/pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I.E., et al. „Ogólna teoria sił Van der Waalsa”. Fizyka radziecka Uspekhi , tom. 4, nie. 2, 1961. doi:10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.
• Israelachwili, J. Siły międzycząsteczkowe i powierzchniowe . Prasa akademicka, 1985.
• Parsegian, V.A. Van der Waals Forces: Podręcznik dla biologów, chemików, inżynierów i fizyków. Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge, 2005.
• Wolff, JO, Gorb, S.N. „Wpływ wilgotności na zdolność przywiązania pająka Filodromus dispar (Araneae, Philodromidae).' Procedury Royal Society B: Nauki biologiczne , tom. 279, nie. 1726, 2011. doi: 10.1098/rspb.2011.0505 .