Сила Ван-дер-Ваальса

Силы Ван-дер-Ваальса названы в честь голландского учёного Йоханнеса Дидерика ван-дер-Ваальса, который впервые предложил их существование в 1873 году. Эти силы являются видом межмолекулярных сил, которые связывают молекулы друг с другом. Они слабее ковалентных и ионных связей, но являются важными для понимания поведения молекул, особенно неполярных соединений.

Понимание этих сил важно в химии, поскольку они также играют ключевую роль в повседневных явлениях. Силы Ван-дер-Ваальса вовлекают в себя притяжение и отталкивание между атомами, молекулами и поверхностями. Они вызываются корреляциями во флуктуациях поляризаций близлежащих частиц.

Виды сил Ван-дер-Ваальса

Существует три основных вида сил Ван-дер-Ваальса: диполь-дипольные взаимодействия, лондонские дисперсионные силы (также называемые индукционных диполь-индукционных дипольных взаимодействий), и диполь-индуцированные дипольные взаимодействия. Каждый из них имеет разные характеристики и возникает при различных условиях.

Диполь–дипольное взаимодействие

Диполь-дипольные взаимодействия происходят между молекулами, имеющими постоянные диполи. Молекула с постоянным диполем имеет одну сторону, слегка положительно заряженную, и другую сторону, слегка отрицательно заряженную. Вода (H 2 O) — классический пример молекулы с постоянным диполем. В этих взаимодействиях положительный полюс одной молекулы притягивает отрицательный полюс другой молекулы.

Пример: Рассматривая две молекулы воды: атомы кислорода одной молекулы будут притягивать атомы водорода соседней молекулы.

Лондонская дисперсионная сила

Лондонские дисперсионные силы являются самым слабым видом сил Ван-дер-Ваальса. Это временные силы притяжения, возникающие, когда электроны в двух соседних атомах занимают положения, из-за которых атомы становятся временными диполями. Эти силы существуют во всех молекулах, независимо от того, полярные они или неполярные.

Пример: В неполярной молекуле, такой как аргоновый газ (Ar), могут образоваться временные диполи.

Поскольку электроны находятся в постоянном движении, в любой момент времени электронная плотность на одном конце атома может увеличиться, что приводит к временному диполю. Это вызывает подобный диполь в соседнем атоме, вызывая притяжение между ними.

Диполь-индуцированные дипольные взаимодействия

Диполь-индуцированные дипольные взаимодействия происходят, когда молекула с постоянным диполем приближается к неполярной молекуле. Электрическое поле диполя может вызвать искажение электронной оболочки неполярной молекулы, вызывая у неё момент диполя.

Пример: Рассмотрим ситуацию, когда молекула хлора (Cl 2) приближается к молекуле воды (H 2 O).

В этом взаимодействии электрическое поле, создаваемое водой (полярная молекула), индуцирует диполь в молекуле хлора (неполярная), что приводит к взаимодействию между ними.

Роль сил Ван-дер-Ваальса в природе

Силы Ван-дер-Ваальса присутствуют в нашей повседневной жизни повсюду. Они могут быть слабыми, но они важны и ответственны за многие явления.

Лапки геккона

Классическим и часто упоминаемым примером того, как работают силы Ван-дер-Ваальса, является способность гекконов ходить по стенам и потолкам. Маленькие волоски на лапках гекконов позволяют им использовать силы Ван-дер-Ваальса для прилипания к поверхностям.

Силы между атомами в щетинках лапок геккона и поверхностью достаточны, чтобы поддерживать его массу тела. Эта адгезия объясняется кумулятивным эффектом очень слабых сил Ван-дер-Ваальса в миллионах точек контакта волосков.

Конденсация газов

Другим примером сил Ван-дер-Ваальса является конденсация газов в жидкость. Когда молекулы газа приближаются друг к другу с понижением температуры, слабые силы Ван-дер-Ваальса становятся достаточно сильными, чтобы удерживать молекулы близко друг к другу, что приводит к их конденсации в жидкость.

Сила сил Ван-дер-Ваальса

Сила сил Ван-дер-Ваальса зависит от нескольких факторов:

• Размер молекул: Более крупные молекулы имеют больше электронов и более поляризуемы, поэтому у них более сильные взаимодействия Ван-дер-Ваальса.
• Площадь поверхности: Молекулы с большей площадью поверхности могут образовывать более сильные силы Ван-дер-Ваальса из-за увеличенного числа точек контакта.
• Расстояние: Эти силы очень зависят от расстояния, они быстро уменьшаются, когда молекулы расходятся.

Заключение

Хотя силы Ван-дер-Ваальса слабее ионных и ковалентных связей, их наличие необходимо для понимания различных процессов в химии и биологии. Они играют ключевую роль в физических свойствах молекул, влияя на температуру кипения и плавления, растворимость и механические свойства. Хотя их трудно наблюдать напрямую из-за их слабой природы, их коллективная сила часто может быть значительной, что делает их важными для взаимодействий на молекулярном и более крупном уровнях. Это понимание подчеркивает сложность и запутанность взаимодействий, управляющих природным миром.

Комментарии