δυνάμεις van der Waals

Οι δυνάμεις Van der Waals είναι το συλλογικό όνομα που δίνεται στις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις που είναι υπεύθυνες για την ασθενή έλξη μεταξύ ουδέτερων χημικών ειδών όπως τα άτομα και τα μόρια. Είναι σχετικά αδύναμες δυνάμεις με πολύ μικρή εμβέλεια και αποτελούνται από το άθροισμα τριών διαφορετικών τύπων δυνάμεων που μπορεί να υπάρχουν ή να μην υπάρχουν ταυτόχρονα. Αυτές οι τρεις δυνάμεις είναι οι δυνάμεις Keesom, οι δυνάμεις Debye και οι δυνάμεις διασποράς του Λονδίνου.

Αν και είναι πολύ πιο αδύναμες αλληλεπιδράσεις από τις δυνάμεις δέσμευσης που υπάρχουν στους ιοντικούς, μεταλλικούς και ομοιοπολικούς δεσμούς, μπορούν να γίνουν σημαντικές όταν τα εμπλεκόμενα μόρια είναι αρκετά μεγάλα.

Οι δυνάμεις Van der Waals είναι υπεύθυνες για την ικανότητα του γκέκο και των αρθρόποδων να σκαρφαλώνουν σε πολύ λείες επιφάνειες όπως γυαλί και κεραμικά.

Είναι επίσης υπεύθυνα για τις δυνάμεις πρόσφυσης μεταξύ διαφορετικών επιφανειών και της ταινίας, καθώς και για άλλες κολλώδεις ουσίες. Στην πραγματικότητα, η κολλητική ταινία υπάρχει χάρη στις δυνάμεις van der Waals. Αυτές οι δυνάμεις είναι αρκετά ισχυρές σε κοντινή απόσταση για να συγκρατούν τα κομμάτια που θέλουμε να ενώσουμε (όπως τα καπάκια ενός κουτιού από χαρτόνι, για παράδειγμα), αλλά ταυτόχρονα είναι αρκετά αδύναμες ώστε να μπορούμε να τα αποσπάσουμε εύκολα.

Χαρακτηριστικά των δυνάμεων van der Waals

• Όπως όλες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ατόμων και μορίων, οι δυνάμεις van der Waals έχουν ηλεκτροστατική προέλευση.
• Είναι δυνάμεις πολύ μικρής εμβέλειας, πράγμα που σημαίνει ότι είναι σημαντικές μόνο όταν τα μόρια είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο και εξαφανίζονται γρήγορα καθώς απομακρύνονται περισσότερο.
• Όταν δύο μόρια πλησιάζουν πιο κοντά, κάτω από μια ορισμένη ελάχιστη απόσταση, οι δυνάμεις van der Waals γίνονται απωθητικές. Αυτό διασφαλίζει ότι τα άτομα και τα μόρια δεν καταρρέουν το ένα μέσα στο άλλο.
• Είναι ασθενείς δυνάμεις σε σύγκριση με τους ιοντικούς και ομοιοπολικούς δεσμούς. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχουν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ μικρών μερικών φορτίων, μερικά από τα οποία υπάρχουν μόνο για πολύ μικρές χρονικές περιόδους.
• Ορισμένες από τις συνιστώσες των δυνάμεων van der Waals δεν έχουν κατευθυντικότητα. Αυτό σημαίνει ότι δύο μόρια που είναι αρκετά κοντά θα αισθάνονται πάντα μια ελκτική δύναμη το ένα προς το άλλο ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό τους το ένα σε σχέση με το άλλο.
• Είναι προσθετικά, γεγονός που, σε συνδυασμό με την έλλειψη κατευθυντικότητάς τους, σημαίνει ότι μπορούν να γίνουν αρκετά έντονα εάν η επιφάνεια επαφής μεταξύ δύο μορίων είναι αρκετά μεγάλη.
• Όλες οι συνιστώσες των δυνάμεων van der Waals εκτός από τις δυνάμεις Keesom είναι ανεξάρτητες από τη θερμοκρασία.
• Μπορούν να εμφανιστούν μεταξύ οποιουδήποτε ατόμου ή μορίου ανεξάρτητα από τη δομή ή τη σύνθεσή του.

Συστατικά των δυνάμεων Van der Waals

Οι δυνάμεις Van der Waals αντιστοιχούν στο άθροισμα τριών διαφορετικών τύπων ελκτικών δυνάμεων. Μερικά από αυτά τα συστατικά είναι πάντα παρόντα ανεξάρτητα από τα άτομα ή τα μόρια που αναφέρονται, ενώ άλλα εμφανίζονται μόνο στις περιπτώσεις πολικών μορίων. Αυτά τα τρία συστατικά είναι:

Δυνάμεις Keesom ή αλληλεπιδράσεις διπόλου-διπόλου

Από τα τρία συστατικά των δυνάμεων Van der Waals, οι πιο έντονες αλληλεπιδράσεις είναι αυτές που προέρχονται από την έλξη μεταξύ των αντίθετων πόλων των πολικών μορίων, δηλαδή εκείνων που έχουν μόνιμο δίπολο. Αυτοί οι τύποι δυνάμεων ή αλληλεπιδράσεων μεταξύ δύο μόνιμων διπόλων ονομάζονται δυνάμεις Keesom, από τον Ολλανδό φυσικό Willem Hendrik Keesom που τις μελέτησε στις αρχές του 20ου αιώνα.

Σε αυτές τις περιπτώσεις, το μερικό θετικό φορτίο (δ+) του διπόλου ενός πολικού μορίου έλκεται (και αντίστροφα) από το μερικό αρνητικό φορτίο (δ-) του διπόλου ενός δεύτερου, επίσης πολικού μορίου. Αυτά τα μόρια μπορεί να είναι ίδια μεταξύ τους ή όχι.

Οι δυνάμεις Keesom είναι κυρίως υπεύθυνες για τη διαλυτότητα των πολικών ουσιών σε πολικούς διαλύτες. Επίσης, για προφανείς λόγους, εμφανίζονται μόνο μεταξύ πολικών μορίων.

Δυνάμεις Debye ή επαγόμενες αλληλεπιδράσεις διπόλου-διπόλου

Όταν ένα μόριο που έχει μόνιμο δίπολο (πολικό μόριο) πλησιάζει ένα ουδέτερο μόριο που είναι μη πολικό ή πλησιάζει το μη πολικό τμήμα ενός αμφιπαθούς μορίου (που έχει πολική κεφαλή και μη πολική ουρά), το μερικό φορτίο του διπόλου θα προσελκύσει ηλεκτρόνια από την επιφάνεια του δεύτερου μορίου (αν είναι μερικώς θετικό) ή να τα απωθούν (αν είναι μερικώς αρνητικό). Το αποτέλεσμα είναι ότι η κατανομή των ηλεκτρονίων στην επιφάνειά του θα παραμορφωθεί στο μη πολικό μόριο, προκαλώντας το σχηματισμό ενός μικρού διπόλου. Αυτό το επαγόμενο δίπολο στη συνέχεια έλκεται στο δίπολο του πολικού μορίου.

Αυτοί οι τύποι αλληλεπιδράσεων μεταξύ ενός μόνιμου διπόλου και ενός επαγόμενου διπόλου ονομάζονται δυνάμεις Debye και αντιστοιχούν στη δεύτερη συνιστώσα σε ένταση στις δυνάμεις van derWaals.

Δυνάμεις διασποράς του Λονδίνου ή επαγόμενες διπολικές αλληλεπιδράσεις διπόλων

Στις περιπτώσεις στις οποίες ένα μόριο δεν έχει μόνιμη διπολική ροπή ή στις περιπτώσεις ουδέτερων ατόμων που δεν μπορούν να έχουν δίπολα, εξακολουθεί να υπάρχει η πιθανότητα να εμφανιστεί μια ελκτική δύναμη που ονομάζεται δύναμη διασποράς του Λονδίνου, που πήρε το όνομά του από τον Fritz London που το χαρακτήρισε το 1930.

Σε αυτή την περίπτωση, η έλξη είναι μεταξύ μικροσκοπικών στιγμιαίων διπόλων που εμφανίζονται και εξαφανίζονται στην επιφάνεια όλων των ατόμων και μορίων ως συνέπεια του γεγονότος ότι τα ηλεκτρόνια είναι σωματίδια που δεν μπορούν να βρίσκονται παντού ταυτόχρονα. Λόγω της συνεχούς κίνησής του, υπάρχουν φορές που υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια στη μία πλευρά ενός ατόμου ή μορίου από ό,τι στην άλλη. Αυτή η ανομοιόμορφη κατανομή των ηλεκτρικών φορτίων δημιουργεί ένα μικρό δίπολο που εξαφανίζεται μόλις τα ηλεκτρόνια, που δεν μένουν ποτέ ακίνητα, επιστρέψουν στην άλλη πλευρά του μορίου.

Η σύντομη διάρκειά τους τα κάνει να ονομάζονται στιγμιαία δίπολα και εμφανίζονται και εξαφανίζονται με εκπληκτική συχνότητα στην επιφάνεια όλων των χημικών ουσιών, είτε πρόκειται για μόρια, άτομα ή ιόντα. Κάθε φορά που δύο μόρια πλησιάζουν το ένα το άλλο, θα υπάρχουν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των στιγμιαίων διπόλων του ενός μορίου με εκείνα του άλλου. Όταν ένα από αυτά τα δίπολα εξαφανίζεται, ένα άλλο εμφανίζεται στην άλλη πλευρά, και θα υπάρχει πάντα ένας ορισμένος αριθμός ελκτικών διπόλων και στα δύο μόρια ανά πάσα στιγμή.

Οι δυνάμεις του Λονδίνου είναι οι μόνες διαμοριακές αλληλεπιδράσεις που υπάρχουν σε μη πολικές ενώσεις και, επιπλέον, είναι το πιο αδύναμο συστατικό όλων των δυνάμεων van der Waals. Ωστόσο, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια επαφής μεταξύ δύο μορίων, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των στιγμιαίων διπόλων που τα έλκουν μεταξύ τους, έτσι οι δυνάμεις του Λονδίνου μπορούν να γίνουν σημαντικές στις περιπτώσεις άπολων μακρομορίων όπως τα πολυμερή που σχηματίζουν τα πλαστικά.

Παραδείγματα δυνάμεων van der Waals

• Αλληλεπιδράσεις διπόλου-διπόλου μεταξύ δύο μορίων νερού.
• Η συγκολλητική ισχύς της ταινίας συσκευασίας.
• Όταν συμπυκνώνονται ευγενή αέρια όπως το αργό ή το κρυπτόν, οι δυνάμεις που συγκρατούν τα άτομα ενωμένα είναι δυνάμεις διασποράς του Λονδίνου.
• Αλληλεπιδράσεις διπόλου-διπόλου που προκαλούνται μεταξύ ενός μορίου μεθανόλης και της αλειφατικής ουράς ενός τριγλυκεριδίου.
• Οι επαγόμενες δυνάμεις διπόλου-διπόλου που εμφανίζονται μεταξύ των μορίων του νερού (το οποίο είναι πολικό) και των μορίων του αερίου οξυγόνου (που είναι μη πολικά) όταν αυτό το αέριο διαλύεται στο νερό.
• Στην περίπτωση των πλαστικών όπως το πολυαιθυλένιο , οι δυνάμεις του Λονδίνου που εμφανίζονται μεταξύ των μακριών μη πολικών αλυσίδων ομάδων –CH ₂ –.
• Η πρόσφυση των μαξιλαριών του γκέκο σε γυαλισμένες επιφάνειες όπως το γυαλί.
• Οι δυνάμεις που συγκρατούν τα μόρια του βρωμίου (Br ₂ ) σε υγρή κατάσταση και του ιωδίου (I ₂ ) στη στερεή κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου.

βιβλιογραφικές αναφορές

Heltzel, Carl E. (Οκτώβριος 2020). Πώς οι κολλώδεις καινοτομίες άλλαξαν τον κόσμο. ChemMatters. Ανακτήθηκε από https://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/resources/highschool/chemmatters/issues/2020-2021/october-2020/sticky-chemistry-pages.pdf

R. Moreno, E. Bannier (2015). 3- Εναιωρήματα και διαλύματα πρώτης ύλης. In Future Development of Thermal Spray Coatings, Editor(s): Nuria Espallargas. 51-80. Woodhead Publishing. Ανακτήθηκε από https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780857097699000038

Adaira, JH, Suvacib, Ε., Sindela, J. (2001) Surface and Colloid Chemistry. Στο Encyclopedia of Materials: Science and Technology. 1-10. Elsevier. Ανακτήθηκε από https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0080431526016223

Δυνάμεις Van der Waals. (ν). Ανακτήθηκε από https://e1.portalacademico.cch.unam.mx/alumno/quimica1/unidad2/tiposdeenlaces/vanderwaals

EcuRed. (ν). Δυνάμεις Van der Waals – EcuRed. Ανακτήθηκε από https://www.ecured.cu/Fuerzas_de_Van_der_Waals