Van der Waalsove sile: Lastnosti in komponente

Molekule imajo energijo, zato so vedno v gibanju. To ustvarja električne dipole. PASIEKA/SPL, Getty Images

Van der Waalsove sile so šibke sile, ki prispevajo k medmolekularni lepljenje med molekule . Molekule imajo samo po sebi energijo in njihovi elektroni so vedno v gibanju, tako da prehodne koncentracije elektronov v eni ali drugi regiji povzročijo, da električno pozitivna področja molekule pritegnejo elektrone druge molekule. Podobno negativno nabite regije ene molekule odbijajo negativno nabite regije druge molekule.

Van der Waalsove sile so vsota privlačnih in odbojnih električnih sil med atomi in molekulami. Te sile se razlikujejo od kovalentne in ionske kemične vezi, ker so posledica nihanj gostote naboja delcev. Primeri van der Waalsovih sil vključujejo vodikova vez , disperzijske sile in dipol-dipol interakcije.

Ključni izsledki: Van der Waalsove sile

• Van der Waalsove sile so od razdalje odvisne sile med atomi in molekulami, ki niso povezane s kovalentnimi ali ionskimi kemičnimi vezmi.
• Včasih se izraz uporablja za zajemanje vseh medmolekularnih sil, čeprav nekateri znanstveniki mednje uvrščajo le Londonsko disperzijsko silo, Debyevo silo in Keesomovo silo.
• Van der Waalsove sile so najšibkejše kemijske sile, vendar imajo še vedno pomembno vlogo pri lastnostih molekul in v površinski znanosti.

Lastnosti Van der Waalsovih sil

Van der Waalsove sile kažejo nekatere značilnosti:

• So aditivi.
• So šibkejše od ionskih ali kovalentnih kemičnih vezi.
• Niso usmerjeni.
• Delujejo le na zelo kratkem območju. Interakcija je večja, ko se molekule približajo.
• Neodvisne so od temperature, z izjemo dipol-dipolnih interakcij.

Komponente Van der Waalsovih sil

Van der Waalsove sile so najšibkejše medmolekulske sile . Njihova jakost se običajno giblje od 0,4 kilodžulov na mol (kJ/mol) do 4 kJ/mol in delujejo na razdaljah, manjših od 0,6 nanometrov (nm). Ko je razdalja manjša od 0,4 nm, je skupni učinek sil odbojen, saj se elektronski oblaki odbijajo.

Obstajajo štirje glavni prispevki k van der Waalsovim silam:

1. Negativna komponenta preprečuje, da bi se molekule sesedle. To je posledica Paulijevo izključitveno načelo .
2. Med trajnimi naboji pride do privlačne ali odbojne elektrostatične interakcije, dipoli , štiripole in multipole. Ta interakcija se imenuje interakcija Keesom ali sila Keesom, poimenovana po Willemu Hendriku Keesomu.
3. Pride do indukcije ali polarizacije. To je privlačna sila med trajno polarnostjo na eni molekuli in inducirano polarnostjo na drugi. Ta interakcija se imenuje Debyejeva sila, za Petra J.W. Debye.
4. Londonova disperzijska sila je privlačnost med katerim koli parom molekul zaradi trenutne polarizacije. Sila je poimenovana po Fritzu Londonu. Upoštevajte, da tudi nepolarne molekule doživljajo Londonsko disperzijo.

Van der Waalsove sile, gekoni in členonožci

Gekoni, žuželke in nekateri pajki imajo na blazinicah stopal nastavke, ki jim omogočajo plezanje po izjemno gladkih površinah, kot je steklo. Pravzaprav lahko gekon visi celo na enem prstu! Znanstveniki so ponudili več razlag za ta pojav, vendar se je izkazalo, da je glavni vzrok adhezije bolj kot van der Waalsove sile ali kapilarno delovanjeelektrostatična sila.

Raziskovalci so izdelali suho lepilo in lepilni trak na podlagi analize gekonov in pajkovih tačk. Lepljivost je posledica drobnih ježkom podobnih dlačic in lipidov na gekonjih stopalih.

Gekonove noge so lepljive zaradi van der Waalsovih sil, elektrostatičnih sil in lipidov na njihovi koži. StephanHoerold / Getty Images

Resnični Spider-Man

Leta 2014 je Agencija za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA) preizkusila svoj Geckskin, ki ga je navdihnila gekona, material, ki temelji na ščetkah gekon blazinice za stopala in namenjeni temu, da vojaškemu osebju dajo sposobnosti, podobne Spider-Manu. 220 funtov težak raziskovalec, ki je nosil dodatnih 45 funtov opreme, je z dvema plezalnima vesloma uspešno preplezal 26 čevljev visoko stekleno steno.

Znanstveniki so našli način, kako uporabiti van der Waalsove sile za pomoč ljudem, da se oprimejo gladkih površin, kot so steklo in stene. OrangeDukeProductions / Getty Images

Viri

• Kellar, Autumn et al. 'Dokazi za Van der Waalsovo adhezijo v Setae Gecko.' Zbornik Nacionalne akademije znanosti , vol. 99, št. 19, 2002, 12252–6. doi:10.1073/pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I. E., et al. 'Splošna teorija Van der Waalsovih sil.' Uspehi sovjetske fizike , vol. 4, št. 2, 1961. doi: 10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.
• Israelachvili, J. Medmolekulske in površinske sile . Academic Press, 1985.
• Parsežan, V. A. Van der Waalsove sile: priročnik za biologe, kemike, inženirje in fizike. Cambridge University Press, 2005.
• Wolff, J. O., Gorb, S. N. 'Vpliv vlažnosti na sposobnost pritrditve pajka Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae).' Zbornik Kraljeve družbe B: Biološke znanosti , vol. 279, št. 1726, 2011. doi: 10.1098/rspb.2011.0505 .