van der Waals erők

A Van der Waals erők a semleges vegyi anyagok, például atomok és molekulák közötti gyenge vonzerőért felelős intermolekuláris kölcsönhatások gyűjtőneve . Viszonylag gyenge, nagyon rövid hatótávolságú erőkről van szó, amelyek három különböző típusú erő összegéből állnak, amelyek egyidejűleg lehetnek jelen, vagy nincsenek jelen. Ez a három erő a Keesom-erők, a Debye-erők és a londoni szétszóródó erők.

Bár ezek sokkal gyengébb kölcsönhatások, mint az ionos, fémes és kovalens kötésekben jelenlévő kötőerők, jelentőssé válhatnak, ha az érintett molekulák elég nagyok.

A Van der Waals erők felelősek a gekkó és az ízeltlábúak azon képességéért, hogy nagyon sima felületeken, például üvegen és kerámián másznak fel.

Ezek felelősek a különböző felületek és a szalag közötti tapadási erőkért, valamint más ragadós anyagokért is. Valójában a ragasztószalag a van der Waals erőknek köszönhetően létezik. Ezek az erők közelről elég erősek ahhoz, hogy összetartsák az összekapcsolni kívánt darabokat (például egy kartondoboz fedelét), ugyanakkor elég gyengék ahhoz, hogy könnyen le tudjuk őket választani.

A van der Waals-erők jellemzői

• Mint minden atomok és molekulák közötti kölcsönhatások, a van der Waals-erők elektrosztatikus eredetűek.
• Ezek nagyon rövid hatótávolságú erők, ami azt jelenti, hogy csak akkor jelentősek, ha a molekulák nagyon közel vannak egymáshoz, és gyorsan eltűnnek, ahogy távolodnak egymástól.
• Amikor két molekula közelebb kerül egy bizonyos minimális távolság alá, a van der Waals-erők taszítóvá válnak. Ez biztosítja, hogy az atomok és a molekulák ne essenek egymásba.
• Gyenge erők az ionos és kovalens kötésekhez képest. Ennek az az oka, hogy vonzó erők léteznek a kis részleges töltések között, amelyek közül néhány csak nagyon rövid ideig létezik.
• A van der Waals erők egyes összetevőinek nincs irányultsága. Ez azt jelenti, hogy két elég közel lévő molekula mindig vonzó erőt fog érezni egymás felé, függetlenül attól, hogy egymáshoz képest milyen orientációjuk van.
• Additívak, ami az irányítottság hiányával együtt azt jelenti, hogy jelentősen intenzívebbé válhatnak, ha két molekula érintkezési felülete elég nagy.
• A van der Waals-erők összes összetevője a Keesom-erők kivételével független a hőmérséklettől.
• Bármely atom vagy molekula között előfordulhatnak, függetlenül annak szerkezetétől vagy összetételétől.

A Van der Waals erők összetevői

A Van der Waals erők három különböző típusú vonzóerő összegének felelnek meg. Ezen komponensek egy része mindig jelen van, függetlenül a kérdéses atomoktól vagy molekuláktól, míg mások csak poláris molekulák esetén fordulnak elő. Ez a három összetevő a következő:

Keesom-erők vagy dipól-dipól kölcsönhatások

A Van der Waals-erők három összetevője közül a legintenzívebb kölcsönhatások azok, amelyek a poláris molekulák ellentétes pólusai közötti vonzásból származnak, vagyis azok, amelyeknek állandó dipólusa van. Az ilyen típusú erőket vagy kölcsönhatásokat két permanens dipólus között Keesom-erőknek nevezik Willem Hendrik Keesom holland fizikus után, aki a 20. század elején tanulmányozta őket.

Ezekben az esetekben egy poláris molekula dipólusának részleges pozitív töltését (δ+) egy második, szintén poláris molekula dipólusának részleges negatív töltése (δ-) vonzza (és fordítva). Ezek a molekulák lehetnek azonosak vagy nem.

A Keesom-erők elsősorban a poláris anyagok poláris oldószerekben való oldhatóságáért felelősek. Emellett nyilvánvaló okokból csak poláris molekulák között fordulnak elő.

Debye-erők vagy indukált dipól-dipól kölcsönhatások

Amikor egy molekula, amelynek permanens dipólusa (poláris molekula) közelít egy semleges, nem poláris molekulához, vagy egy amfipatikus molekula nempoláris részét (amelynek poláris feje és nempoláris farka van), a dipólus részleges töltése vonzza. elektronokat a második molekula felületéről (ha az részben pozitív), vagy taszítja azokat (ha részben negatív). A hatás az, hogy a felületén lévő elektronok eloszlása ​​torzul a nempoláris molekulában, ami egy kis dipólus kialakulását idézi elő. Ezt az indukált dipólust azután a poláris molekula dipólusa vonzza.

A permanens dipólus és az indukált dipólus közötti ilyen típusú kölcsönhatásokat Debye-erőknek nevezzük, és ezek a van derWaals-erők intenzitása második összetevőjének felelnek meg.

Londoni diszperziós erők vagy indukált dipól által kiváltott dipóluskölcsönhatások

Azokban az esetekben, amikor egy molekulának nincs állandó dipólusmomentuma, vagy olyan semleges atomok esetében, amelyek nem rendelkeznek dipólusokkal, továbbra is fennáll annak a lehetősége, hogy megjelenik egy vonzó erő, az úgynevezett londoni diszperziós erő, amelyet Fritz Londonról neveztek el, aki ezt jellemezte . 1930-ban.

Ebben az esetben a vonzás apró, pillanatnyi dipólusok között van, amelyek minden atom és molekula felületén jelennek meg és tűnnek el annak következtében, hogy az elektronok olyan részecskék, amelyek nem lehetnek egyszerre mindenhol. Állandó mozgása miatt előfordul, hogy egy atom vagy molekula egyik oldalán több elektron van, mint a másikon. Az elektromos töltések ezen nem egyenletes eloszlása ​​egy kis dipólust eredményez, amely azonnal eltűnik, amint az elektronok, amelyek soha nem maradnak mozdulatlanul, visszatérnek a molekula másik oldalára.

Rövid időtartamuk miatt pillanatnyi dipóloknak nevezik őket, és meglepő gyakorisággal jelennek meg és tűnnek el abszolút minden kémiai anyag felületén, legyen szó molekuláról, atomról vagy ionról. Amikor két molekula közeledik egymáshoz, vonzó erők lépnek fel az egyik molekula pillanatnyi dipólusai és a másik molekula dipólusai között. Amikor ezek közül az egyik dipólus eltűnik, egy másik megjelenik a másik oldalon, és minden pillanatban mindig lesz bizonyos számú vonzó dipólus mindkét molekulában.

A londoni erők az egyetlen intermolekuláris kölcsönhatás, amely a nem poláris vegyületekben jelen van, és emellett a van der Waals erők leggyengébb összetevője. Azonban minél nagyobb az érintkezési felület két molekula között, annál nagyobb számú pillanatnyi dipólus vonzza őket egymáshoz, így a londoni erők jelentőssé válhatnak az apoláris makromolekulák, például a műanyagokat alkotó polimerek esetében.

Példák van der Waals erőkre

• Dipól-dipól kölcsönhatások két vízmolekula között.
• A csomagolószalag tapadási szilárdsága.
• Nemesgázok, például argon vagy kripton kondenzálásakor az atomokat összetartó erők a londoni diszperziós erők.
• Dipól-dipól kölcsönhatások egy metanol molekula és egy triglicerid alifás farka között .
• Az indukált dipól-dipól erők, amelyek a vízmolekulák (amely poláris) és az oxigéngáz molekulák (amelyek nem polárisak) között lépnek fel, amikor ez a gáz feloldódik a vízben.
• Az olyan műanyagok esetében, mint a polietilén , a londoni erők, amelyek a –CH ₂ – csoportok hosszú nempoláris láncai között lépnek fel .
• A gekkó párnák tapadása polírozott felületekhez, például üveghez.
• _{Azok az erők, amelyek a bróm (Br 2} ) folyékony halmazállapotban és a jód (I ₂ ) molekuláit szobahőmérsékleten szilárd állapotban tartják össze.

Hivatkozások

Heltzel, Carl E. (2020. október). Hogyan változtatták meg a világot a ragadós innovációk. ChemMatters. Letöltve: 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- Nyersanyag szuszpenziók és oldatok. In Future Development of Thermal Spray Coatings, Szerkesztő(k): Nuria Espallargas. 51-80. Woodhead Kiadó. Letöltve: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780857097699000038

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

Van der Waals erők. (nd). Letöltve: https://e1.portalacademico.cch.unam.mx/alumno/quimica1/unidad2/tiposdeenlaces/vanderwaals

EcuRed. (nd). Van der Waals erői – EcuRed. Letöltve: https://www.ecured.cu/Fuerzas_de_Van_der_Waals