Proprietățile și componentele forțelor Van der Waals

Forțele Van der Waals sunt forțele slabe care contribuie la legarea intermoleculară între molecule. Moleculele dețin în mod inerent energie și electronii lor sunt întotdeauna în mișcare, astfel încât concentrațiile tranzitorii de electroni într-o regiune sau alta conduc regiuni pozitive din punct de vedere electric ale unei molecule pentru a fi atrase de electronii unei alte molecule. În mod similar, regiunile încărcate negativ ale unei molecule sunt respinse de regiunile încărcate negativ ale altei molecule.

Forțele Van der Waals sunt suma forțelor electrice atractive și respingătoare dintre atomi și molecule. Aceste forțe diferă de legătura chimică covalentă și ionică, deoarece rezultă din fluctuațiile densității de încărcare a particulelor. Exemple de forțe van der Waals includ legarea hidrogenului, forțele de dispersie și interacțiunile dipol-dipol.

Cheltuieli cheie: Forțele Van der Waals

• Forțele Van der Waals sunt forțe dependente de distanță între atomi și molecule care nu sunt asociate cu legături chimice covalente sau ionice.
• Uneori, termenul este folosit pentru a cuprinde toate forțele intermoleculare, deși unii oameni de știință includ doar printre ei forța de dispersie londoneză, forța Debye și forța Keesom.
• Forțele Van der Waals sunt cele mai slabe dintre forțele chimice, dar joacă totuși un rol important în proprietățile moleculelor și în știința suprafeței.

Proprietățile forțelor Van der Waals

Unele caracteristici sunt afișate de forțele van der Waals:

• Sunt aditivi.
• Sunt mai slabe decât legăturile chimice ionice sau covalente.
• Nu sunt direcționali.
• Ei acționează doar pe o rază foarte scurtă. Interacțiunea este mai mare atunci când moleculele se apropie.
• Sunt independente de temperatură, cu excepția interacțiunilor dipol-dipol.

Componente ale forțelor Van der Waals

Forțele Van der Waals sunt cele mai slabe forțe intermoleculare. Rezistența lor variază, de obicei, de la 0,4 kilojoule pe aluniță (kJ / mol) până la 4 kJ / mol și acționează pe distanțe mai mici de 0,6 nanometri (nm). Atunci când distanța este mai mică de 0,4 nm, efectul net al forțelor este repulsiv, deoarece norii de electroni se resping reciproc.

Există patru contribuții majore la forțele van der Waals:

1. O componentă negativă împiedică colapsele moleculelor. Acest lucru se datorează principiului excluderii Pauli.
2. O interacțiune electrostatică atrăgătoare sau repulsivă are loc între încărcări permanente, dipoli, cvadrupole și multipole. Această interacțiune se numește interacțiune Keesom sau forța Keesom, numită pentru Willem Hendrik Keesom.
3. Se produce inducția sau polarizarea. Aceasta este o forță atractivă între o polaritate permanentă pe o moleculă și o polaritate indusă pe alta. Această interacțiune este numită forța Debye, pentru Peter J.W. Debye.
4. Forța de dispersie din Londra este atracția dintre orice pereche de molecule din cauza polarizării instantanee. Forța poartă numele lui Fritz London. Rețineți că chiar și moleculele nepolare prezintă o dispersie la Londra.

Forțele Van der Waals, Geckos și Artropode

Gecoșii, insectele și unii păianjeni au sete pe pragurile picioarelor care le permit să urce suprafețe extrem de netede, cum ar fi sticla. De fapt, un gecko chiar poate atârna de la un singur deget de la picior! Oamenii de știință au oferit mai multe explicații pentru fenomen, dar se dovedește că cauza principală a adeziunii, mai mult decât forțele van der Waals sau acțiunea capilară, este forța electrostatică.

Cercetătorii au produs clei uscat și bandă adezivă pe baza analizei gecko și a picioarelor de păianjen. Lipirea rezultă din firele de păr și lipide minuscule ca Velcro găsite pe picioarele gecko.

Picioarele Gecko sunt lipicioase din cauza forțelor van der Waals, a forțelor electrostatice și a lipidelor găsite pe pielea lor. StephanHoerold / Getty Images

Spider-Man din viața reală

În 2014, Agenția pentru Proiecte de Cercetare Avansată pentru Apărare (DARPA) și-a testat Geckskin-ul inspirat de gecko, un material bazat pe cana de piciorușe de gecko și destinat să ofere personalului militar abilități asemănătoare lui Spider-Man. Un cercetător de 220 de kilograme care transporta un plus de 45 de kilograme de echipament a scalat cu succes un perete de sticlă de 26 de metri folosind două palete de cățărare.

Oamenii de știință au găsit o modalitate de a folosi forțele van der Waals pentru a ajuta oamenii să se agațe de suprafețe netede, cum ar fi sticla și pereții. OrangeDukeProductions / Getty Images

surse

• Kellar, Toamna și colab. "Dovada pentru aderarea lui Van der Waals în Setae Gecko." Procesul Academiei Naționale de Științe, vol. 99, nr. 19, 2002, 12252-6. doi: 10.1073 / pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I. E., și colab. „Teoria generală a forțelor lui Van der Waals”. Fizica sovietică Uspekhi, vol. 4, nr. 2, 1961. doi: 10.1070 / PU1961v004n02ABEH003330.
• Israelachvili, J. Forțele intermoleculare și de suprafață. Presă academică, 1985.
• Parsegian, V. A. Forțele Van der Waals: un manual pentru biologi, chimiști, ingineri și fizicieni. Cambridge University Press, 2005.
• Wolff, J. O., Gorb, S. N. "Influența umidității asupra capacității de atașare a păianjenului Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae). " Proceedings of the Royal Society B: Științe biologice, vol. 279, nr. 1726, 2011. doi: 10.1098 / rspb.2011.0505.