forze di van der Waals

Forze di Van der Waals è il nome collettivo dato alle interazioni intermolecolari responsabili delle deboli attrazioni tra specie chimiche neutre come atomi e molecole. Sono forze relativamente deboli con un raggio molto breve e che sono costituite dalla somma di tre diversi tipi di forze che possono essere presenti o meno contemporaneamente. Queste tre forze sono le forze di Keesom, le forze di Debye e le forze di dispersione di Londra.

Sebbene siano interazioni molto più deboli delle forze di legame presenti nei legami ionici, metallici e covalenti, possono diventare considerevoli quando le molecole coinvolte sono abbastanza grandi.

Le forze di Van der Waals sono responsabili della capacità del geco e degli artropodi di arrampicarsi su superfici molto lisce come vetro e ceramica.

Sono anche responsabili delle forze di adesione tra diverse superfici e il nastro, così come altre sostanze appiccicose. Infatti, il nastro adesivo esiste grazie alle forze di van der Waals. Queste forze sono abbastanza forti a distanza ravvicinata da tenere insieme i pezzi che vogliamo unire (come i coperchi di una scatola di cartone, per esempio), ma allo stesso tempo sono abbastanza deboli da poterli staccare facilmente.

Caratteristiche delle forze di van der Waals

• Come tutte le interazioni tra atomi e molecole, le forze di van der Waals sono di origine elettrostatica.
• Sono forze a raggio molto breve, il che significa che sono significative solo quando le molecole sono molto vicine tra loro e scompaiono rapidamente man mano che si allontanano.
• Quando due molecole si avvicinano, al di sotto di una certa distanza minima, le forze di van der Waals diventano repulsive. Ciò garantisce che gli atomi e le molecole non collassino l’uno nell’altro.
• Sono forze deboli rispetto ai legami ionici e covalenti. Questo perché esistono forze attrattive tra piccole cariche parziali, alcune delle quali esistono solo per periodi di tempo molto brevi.
• Alcuni dei componenti delle forze di van der Waals non hanno direzionalità. Ciò significa che due molecole abbastanza vicine sentiranno sempre una forza attrattiva l’una verso l’altra indipendentemente dal loro orientamento l’una rispetto all’altra.
• Sono additivi, il che, combinato con la loro mancanza di direzionalità, significa che possono diventare considerevolmente intensi se la superficie di contatto tra due molecole è abbastanza grande.
• Tutti i componenti delle forze di van der Waals eccetto le forze di Keesom sono indipendenti dalla temperatura.
• Possono verificarsi tra qualsiasi atomo o molecola indipendentemente dalla sua struttura o composizione.

Componenti delle forze di Van der Waals

Le forze di Van der Waals corrispondono alla somma di tre diversi tipi di forze attrattive. Alcuni di questi componenti sono sempre presenti indipendentemente dagli atomi o dalle molecole in questione, mentre altri si verificano solo nei casi di molecole polari. Questi tre componenti sono:

Forze di Keesom o interazioni dipolo-dipolo

Delle tre componenti delle forze di Van der Waals, le interazioni più intense sono quelle che nascono dall’attrazione tra i poli opposti delle molecole polari, cioè quelle che hanno un dipolo permanente. Questi tipi di forze o interazioni tra due dipoli permanenti sono chiamati forze di Keesom, dal nome del fisico olandese Willem Hendrik Keesom che le studiò all’inizio del XX secolo.

In questi casi la carica parziale positiva (δ+) del dipolo di una molecola polare è attratta (e viceversa) dalla carica parziale negativa (δ-) del dipolo di una seconda molecola, anch’essa polare. Queste molecole possono essere uguali tra loro oppure no.

Le forze di Keesom sono le principali responsabili della solubilità delle sostanze polari nei solventi polari. Inoltre, per ovvi motivi, si verificano solo tra molecole polari.

Forze di Debye o interazioni dipolo-dipolo indotte

Quando una molecola che ha un dipolo permanente (una molecola polare) si avvicina a una molecola neutra che è apolare, o si avvicina alla parte non polare di una molecola anfipatica (che ha una testa polare e una coda apolare), la carica parziale del dipolo attirerà elettroni dalla superficie della seconda molecola (se è parzialmente positiva) o li respingono (se è parzialmente negativa). L’effetto è che la distribuzione degli elettroni sulla sua superficie sarà distorta nella molecola non polare, inducendo la formazione di un piccolo dipolo. Questo dipolo indotto viene quindi attratto dal dipolo della molecola polare.

Questi tipi di interazioni tra un dipolo permanente e un dipolo indotto sono chiamati forze di Debye e corrispondono alla seconda componente in intensità delle forze di van derWaals.

Forze di dispersione di London o interazioni dipolo-dipolo indotte

Nei casi in cui una molecola non ha alcun momento di dipolo permanente o nei casi di atomi neutri che non possono avere dipoli, c’è ancora la possibilità che appaia una forza attrattiva chiamata forza di dispersione di Londra , dal nome di Fritz London che la caratterizzò nel 1930.

In questo caso l’attrazione è tra minuscoli dipoli istantanei che appaiono e scompaiono sulla superficie di tutti gli atomi e molecole in conseguenza del fatto che gli elettroni sono particelle che non possono essere ovunque contemporaneamente. A causa del suo movimento costante, ci sono momenti in cui ci sono più elettroni su un lato di un atomo o di una molecola che sull’altro. Questa distribuzione non uniforme delle cariche elettriche dà origine a un piccolo dipolo che scompare non appena gli elettroni, che non stanno mai fermi, ritornano dall’altra parte della molecola.

La loro breve durata li fa chiamare dipoli istantanei, e appaiono e scompaiono con sorprendente frequenza sulla superficie di assolutamente tutte le sostanze chimiche, siano esse molecole, atomi o ioni. Ogni volta che due molecole si avvicinano, ci saranno forze attrattive tra i dipoli istantanei di una molecola con quelli dell’altra. Quando uno di questi dipoli scompare, ne appare un altro dall’altra parte, e ci sarà sempre un certo numero di dipoli attrattivi in ​​entrambe le molecole in un dato momento.

Le forze di London sono le uniche interazioni intermolecolari presenti nei composti apolari e, inoltre, sono la componente più debole di tutte le forze di van der Waals. Tuttavia, maggiore è la superficie di contatto tra due molecole, maggiore è il numero di dipoli istantanei che le attraggono l’uno verso l’altro, per cui le forze di London possono diventare notevoli nei casi di macromolecole apolari come i polimeri che formano le plastiche.

Esempi di forze di van der Waals

• Interazioni dipolo-dipolo tra due molecole d’acqua.
• La forza adesiva del nastro da imballaggio.
• Quando si condensano gas nobili come l’argon o il krypton, le forze che tengono insieme gli atomi sono forze di dispersione di Londra.
• Interazioni dipolo-dipolo indotte tra una molecola di metanolo e la coda alifatica di un trigliceride.
• Le forze dipolo-dipolo indotte che si verificano tra le molecole d’acqua (che è polare) e le molecole di ossigeno gassoso (che sono non polari) quando questo gas si dissolve in acqua.
• Nel caso di materie plastiche come il polietilene , le forze di Londra che si verificano tra le lunghe catene non polari di gruppi –CH ₂ -.
• L’adesione dei cuscinetti del geco a superfici lucide come il vetro.
• Le forze che tengono insieme le molecole di bromo (Br ₂ ) allo stato liquido e di iodio (I ₂ ) allo stato solido a temperatura ambiente.

Riferimenti

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