Van der Waals Forces: Egenskaper og komponenter

Molekyler har energi, så de er alltid i bevegelse. Dette genererer elektriske dipoler. PASIEKA/SPL, Getty Images

Van der Waals krefter er de svake kreftene som bidrar til intermolekylært binding mellom molekyler . Molekyler besitter iboende energi og elektronene deres er alltid i bevegelse, så forbigående konsentrasjoner av elektroner i en eller annen region fører til at elektrisk positive områder av et molekyl blir tiltrukket av elektronene til et annet molekyl. På samme måte blir negativt ladede områder av ett molekyl frastøtt av negativt ladede områder av et annet molekyl.

Van der Waals-krefter er summen av de attraktive og frastøtende elektriske kreftene mellom atomer og molekyler. Disse kreftene skiller seg fra kovalent og ionisk kjemisk binding fordi de skyldes svingninger i ladningstettheten til partikler. Eksempler på van der Waals-styrker inkluderer hydrogenbinding , spredningskrefter , og dipol-dipol-interaksjoner.

Viktige takeaways: Van der Waals Forces

• Van der Waals-krefter er avstandsavhengige krefter mellom atomer og molekyler som ikke er assosiert med kovalente eller ioniske kjemiske bindinger.
• Noen ganger brukes begrepet for å omfatte alle intermolekylære krefter, selv om noen forskere bare inkluderer London-spredningsstyrken, Debye-kraften og Keesom-styrken.
• Van der Waals-kreftene er de svakeste av de kjemiske kreftene, men de spiller fortsatt en viktig rolle i egenskapene til molekyler og i overflatevitenskapen.

Egenskaper til Van der Waals Forces

Visse egenskaper vises av van der Waals-styrker:

• De er additive.
• De er svakere enn enten ioniske eller kovalente kjemiske bindinger.
• De er ikke retningsbestemte.
• De virker bare over svært kort rekkevidde. Samspillet er større når molekylene kommer nærmere.
• De er uavhengige av temperatur, med unntak av dipol-dipol-interaksjoner.

Komponenter av Van der Waals-styrker

Van der Waals krefter er de svakeste intermolekylære krefter . Deres styrke varierer vanligvis fra 0,4 kilojoule per mol (kJ/mol) til 4 kJ/mol og virker over avstander på mindre enn 0,6 nanometer (nm). Når avstanden er mindre enn 0,4 nm, er nettoeffekten av kreftene frastøtende ettersom elektronskyer frastøter hverandre.

Det er fire store bidrag til van der Waals-styrker:

1. En negativ komponent forhindrer molekyler i å kollapse. Dette er på grunn av Pauli eksklusjonsprinsipp .
2. Enten en attraktiv eller en frastøtende elektrostatisk interaksjon oppstår mellom permanente ladninger, dipoler , kvadrupoler og multipoler. Denne interaksjonen kalles Keesom-interaksjon eller Keesom-kraft, oppkalt etter Willem Hendrik Keesom.
3. Induksjon eller polarisering oppstår. Dette er en attraktiv kraft mellom en permanent polaritet på ett molekyl og en indusert polaritet på et annet. Denne interaksjonen kalles Debye-kraften, for Peter J.W. Debye.
4. London-spredningskraft er tiltrekningen mellom et hvilket som helst par molekyler på grunn av øyeblikkelig polarisering. Styrken er oppkalt etter Fritz London. Legg merke til at selv ikke-polare molekyler opplever London-spredning.

Van der Waals styrker, gekkoer og leddyr

Gekkoer, insekter og noen edderkopper har setae på føttene som lar dem klatre opp på ekstremt glatte overflater som glass. Faktisk kan en gekko til og med henge fra en enkelt tå! Forskere har gitt flere forklaringer på fenomenet, men det viser seg at den primære årsaken til adhesjonen, mer enn van der Waals-krefter eller kapillærvirkning, erelektrostatisk kraft.

Forskere har produsert tørt lim og teip basert på analyser av gekko og edderkoppføtter. Klebrigheten skyldes bittesmå borrelåslignende hår og lipider som finnes på gekkoføtter.

Gekkoføtter er klissete på grunn av van der Waals-krefter, elektrostatiske krefter og lipider som finnes på huden deres. StephanHoerold / Getty Images

Real-Life Spider-Man

I 2014 testet Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) sitt gekko-inspirerte Geckskin, et materiale basert på setae av gekko fotputer og ment å gi militært personell Spider-Man-lignende evner. En 220-pund forsker som bar ytterligere 45 pounds av utstyr, skalert vellykket en 26-fots glassvegg ved hjelp av to klatreårer.

Forskere har funnet en måte å bruke van der Waals-krefter på for å hjelpe folk med å klamre seg til glatte overflater, som glass og vegger. OrangeDukeProductions / Getty Images

Kilder

• Kellar, Autumn, et al. 'Bevis for Van der Waals-adhesjon i Gecko Setae.' Proceedings of the National Academy of Sciences , vol. 99, nei. 19, 2002, 12252–6. doi:10.1073/pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I.E., et al. 'Generell teori om Van der Waals' styrker.' Sovjetisk fysikk Uspekhi , vol. 4, nei. 2, 1961. doi:10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.
• Israelachvili, J. Intermolekylære og overflatekrefter . Academic Press, 1985.
• Parsegian, V.A. Van der Waals Forces: En håndbok for biologer, kjemikere, ingeniører og fysikere. Cambridge University Press, 2005.
• Wolff, J. O., Gorb, S. N. 'Fuktighetens innflytelse på edderkoppens festeevne Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae).' Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences , vol. 279, nr. 1726, 2011. doi: 10.1098/rspb.2011.0505 .