Wyjaśniamy, czym są siły Van der Waalsa iw jakich przypadkach się manifestują. Poza tym, dlaczego mają taką nazwę i jakie są ich cechy.
Jakie są siły Van der Waalsa?
Są one znane jako siły Van der Waalsa lub oddziaływania Van der Waalsa z pewnym rodzajem przyciągających lub odpychających sił międzycząsteczkowych, różnych od tych, które generują wiązania atomowe (joński, metaliczny lub kowalencyjny typu kratowego) lub przyciąganie elektrostatyczne między jony i inni molekuły.
Zanim wspomnimy o różnych typach sił Van der Waalsa, ważne jest, aby zrozumieć, czym jest polarność chemiczna. Polaryzacja chemiczna to właściwość cząsteczek, które mają tendencję do oddzielania ładunków elektrycznych w swojej strukturze.Jest to właściwość ściśle związana z siłami międzycząsteczkowymi (takimi jak Van der Waalsa), przy czym rozpuszczalność i z punktami połączenie Y wrzenie. W zależności od polarności cząsteczki można podzielić na:
- Cząsteczki polarne. Tworzą je atomy z bardzo różną elektroujemnością. Atom o najwyższej elektroujemności przyciąga elektrony wiązania i pozostaje na nim ujemna gęstość ładunku. Z drugiej strony atom o niższej elektroujemności będzie miał na sobie dodatnią gęstość ładunku. Ten rozkład ładunków ostatecznie doprowadzi do powstania dipola (układu dwóch ładunków o przeciwnych znakach i równej wielkości).
- Cząsteczki niepolarne. Składają się z atomów o równej elektroujemności, więc wszystkie atomy przyciągają elektrony wiązania w ten sam sposób.
Czynnikiem, który również determinuje polarność cząsteczki jest symetria molekularna. Istnieją cząsteczki złożone z atomów o różnej elektroujemności, ale które nie są polarne. Dzieje się tak, ponieważ gdy różne gęstości ładunku części cząsteczki są dodawane, znoszą się one i powodują zerowy moment dipolowy.
Tak więc siły Van der Waalsa manifestują się na trzy szczególne sposoby:
- Siły przyciągania Keesom (oddziaływania dipol-dipol). Są to interakcje między cząsteczkami polarnymi, czyli trwale spolaryzowanymi. Zatem cząsteczki te mają biegun dodatni (o dodatniej gęstości ładunku 𝛅 +) i ujemny (o ujemnej gęstości ładunku 𝛅–) i są zorientowane tak, że biegun dodatni zbliża się do bieguna ujemnego.
- Siły przyciągania Debye'a (stałe oddziaływania dipolowe indukowane dipolem). Zachodzą one między cząsteczką polarną i apolarną, ale ta ma indukowaną polaryzację. W tego typu oddziaływaniu dipol indukuje przejściowy dipol w apolarnej cząsteczce.
- Siły rozpraszania Londona (dipol indukowany dipolem indukowanym). Są to interakcje zachodzące między cząsteczkami apolarnymi. Ruch elektronów w tych cząsteczkach indukuje przejściowe dipole, co powoduje pewne przyciąganie między nimi. Są to bardzo słabe interakcje.
Wszystkie te oddziaływania międzycząsteczkowe są znane jako siły Van der Waalsa, nazwa ta składa hołd holenderskiemu fizykowi Johannesowi Diderikowi van der Waalsowi (1837-1923), który jako pierwszy zaproponował ich efekty w równaniach stanu gazu (znane jako równania Van der Waalsa) w 1873 roku. Za to odkrycie otrzymał w 1910 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Charakterystyka sił Van der Waalsa
Siły Van der Waalsa rosną wraz z długością niepolarnego końca substancji.
Siły Van der Waalsa są na ogół słabe w porównanie z związki chemiczne zwyczajnych, co nie przeszkadza im w byciu fundamentalnymi dla różnych dziedzin fizyczny, ten biologia i inżynieria. Dzięki nim wielu związki chemiczne można zdefiniować.
Siły Van der Waalsa rosną wraz z długość niepolarnego końca substancja, ponieważ są one spowodowane korelacjami między zmiennymi polaryzacjami między atomami, cząsteczkami lub pobliskimi powierzchniami, co jest konsekwencją dynamiki kwantowej.
Wykazują anizotropię, to znaczy ich właściwości różnią się w zależności od orientacji molekuł: często zależy to od tego, czy są atrakcyjne, czy odpychające.
Siły te są najsłabszymi siłami występującymi między cząsteczkami w Natura: Aby je przezwyciężyć, potrzeba tylko od 0,1 do 35 kJ / mol energii. Jednak są one kluczowe dla powstania białko.