Van der Waalsove sily: Vlastnosti a komponenty

Molekuly majú energiu, takže sú stále v pohybe. Takto vznikajú elektrické dipóly. PASIEKA/SPL, Getty Images

Van der Waalsove sily sú slabé sily, ktoré k tomu prispievajú intermolekulárne lepenie medzi molekuly . Molekuly majú vo svojej podstate energiu a ich elektróny sú vždy v pohybe, takže prechodné koncentrácie elektrónov v jednej alebo druhej oblasti vedú k elektricky pozitívnym oblastiam molekuly, ktoré sú priťahované k elektrónom inej molekuly. Podobne negatívne nabité oblasti jednej molekuly sú odpudzované negatívne nabitými oblasťami inej molekuly.

Van der Waalsove sily sú súčtom príťažlivých a odpudivých elektrických síl medzi atómami a molekulami. Tieto sily sa líšia od kovalentných a iónových chemických väzieb, pretože sú výsledkom kolísania hustoty náboja častíc. Príklady van der Waalsových síl zahŕňajú vodíkové väzby , disperzné sily a dipól-dipólové interakcie.

Kľúčové poznatky: Van der Waalsove sily

• Van der Waalsove sily sú sily závislé od vzdialenosti medzi atómami a molekulami, ktoré nie sú spojené s kovalentnými alebo iónovými chemickými väzbami.
• Niekedy sa tento výraz používa na zahrnutie všetkých medzimolekulových síl, hoci niektorí vedci medzi ne zahŕňajú iba londýnsku disperznú silu, Debyeho silu a Keesomovu silu.
• Van der Waalsove sily sú najslabšie z chemických síl, ale stále hrajú dôležitú úlohu vo vlastnostiach molekúl a vo vede o povrchu.

Vlastnosti Van der Waalsových síl

Niektoré charakteristiky sú zobrazené van der Waalsovými silami:

• Sú aditívne.
• Sú slabšie ako iónové alebo kovalentné chemické väzby.
• Nie sú smerové.
• Pôsobia len vo veľmi krátkom rozsahu. Interakcia je väčšia, keď sa molekuly priblížia.
• Sú nezávislé od teploty, s výnimkou interakcií dipól-dipól.

Komponenty Van der Waalsových síl

Van der Waalsove sily sú najslabšie medzimolekulárne sily . Ich sila sa zvyčajne pohybuje od 0,4 kilojoulov na mol (kJ/mol) do 4 kJ/mol a pôsobí na vzdialenosti menšie ako 0,6 nanometrov (nm). Keď je vzdialenosť menšia ako 0,4 nm, výsledný účinok síl je odpudivý, pretože elektrónové oblaky sa navzájom odpudzujú.

Existujú štyri hlavné príspevky k silám van der Waalsa:

1. Negatívna zložka zabraňuje kolapsu molekúl. Je to spôsobené tým Pauliho vylučovací princíp .
2. Medzi permanentnými nábojmi dochádza buď k atraktívnej alebo odpudzujúcej elektrostatickej interakcii, dipóly , štvorpóly a multipóly. Táto interakcia sa nazýva interakcia Keesom alebo sila Keesom, pomenovaná po Willemovi Hendrikovi Keesomovi.
3. Dochádza k indukcii alebo polarizácii. Toto je príťažlivá sila medzi trvalou polaritou na jednej molekule a indukovanou polaritou na druhej. Táto interakcia sa nazýva Debyeova sila, pretože Peter J.W. Debye.
4. Londýnska disperzná sila je príťažlivosť medzi ľubovoľným párom molekúl v dôsledku okamžitej polarizácie. Sila je pomenovaná po Fritzovi Londonovi. Všimnite si, že dokonca aj nepolárne molekuly zažívajú londýnsku disperziu.

Van der Waalsove sily, gekóny a článkonožce

Gekoni, hmyz a niektoré pavúky majú na podložkách nôh sety, ktoré im umožňujú šplhať po extrémne hladkých povrchoch, ako je sklo. V skutočnosti môže gekón visieť aj na jednom prste! Vedci ponúkli niekoľko vysvetlení tohto javu, ale ukázalo sa, že primárnou príčinou adhézie, viac ako van der Waalsove sily alebo kapilárne pôsobenie, jeelektrostatická sila.

Výskumníci vyrobili suché lepidlo a lepiacu pásku na základe analýzy nôh gekónov a pavúkov. Lepkavosť je výsledkom drobných chĺpkov podobných suchému zipsu a lipidov, ktoré sa nachádzajú na chodidlách gekónov.

Gekónske nohy sú lepkavé kvôli van der Waalsovým silám, elektrostatickým silám a lipidom, ktoré sa nachádzajú na ich koži. StephanHoerold / Getty Images

Spider-Man zo skutočného života

V roku 2014 Agentúra pre obranné pokročilé výskumné projekty (DARPA) otestovala svoj gekón inšpirovaný gekónmi, materiál založený na setae gekón chrániče nôh a určené na to, aby vojenskému personálu poskytli schopnosti podobné Spider-Manovi. Výskumník s hmotnosťou 220 libier, ktorý niesol ďalších 45 libier zariadenia, úspešne zdolal 26-metrovú sklenenú stenu pomocou dvoch horolezeckých lopatiek.

Vedci našli spôsob, ako pomocou van der Waalsových síl pomôcť ľuďom držať sa hladkých povrchov, ako sú sklo a steny. OrangeDukeProductions / Getty Images

Zdroje

• Kellar, Autumn a kol. 'Dôkaz o Van der Waalsovej adhézii v Gecko Setae.' Zborník Národnej akadémie vied , zv. 99, č. 19, 2002, 12252–6. doi:10.1073/pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I. E., a kol. 'Všeobecná teória Van der Waalsových síl.' Sovietska fyzika Uspekhi , zv. 4, č. 2, 1961. doi:10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.
• Izraelachvili, J. Medzimolekulové a povrchové sily . Academic Press, 1985.
• Parsegian, V. A. Van der Waalsove sily: Príručka pre biológov, chemikov, inžinierov a fyzikov. Cambridge University Press, 2005.
• Wolff, J. O., Gorb, S. N. „Vplyv vlhkosti na schopnosť pripútania pavúka Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae).' Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences , zv. 279, č. 1726, 2011. doi: 10.1098/rspb.2011.0505 .