반 데르 발스 힘

반 데르 발스 힘은 원자 와 분자 와 같은 중성 화학 종 사이의 약한 인력을 담당하는 분자간 상호 작용 에 주어진 총칭입니다 . 그들은 매우 짧은 범위를 가진 상대적으로 약한 힘이며 동시에 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있는 세 가지 다른 유형의 힘의 합으로 구성됩니다. 이 세 가지 세력은 Keesom 세력, Debye 세력 및 런던 분산 세력입니다.

이온결합, 금속결합, 공유결합에 존재하는 결합력보다 훨씬 약한 상호작용이지만 관련된 분자가 충분히 클 때 상당한 힘이 될 수 있습니다.

반 데르 발스 힘은 도마뱀붙이류와 절지동물이 유리나 세라믹과 같은 매우 매끄러운 표면을 기어오르는 능력을 담당합니다.

또한 서로 다른 표면과 테이프 및 기타 끈적끈적한 물질 사이의 접착력을 담당합니다. 실제로 점착 테이프는 반 데르 발스 힘 덕분에 존재합니다. 이러한 힘은 가까운 거리에서 결합하려는 조각(예: 판지 상자의 뚜껑)을 함께 고정할 수 있을 만큼 충분히 강하지만 동시에 쉽게 분리할 수 있을 정도로 약합니다.

반 데르 발스 힘의 특성

• 원자와 분자 사이의 모든 상호 작용과 마찬가지로 반 데르 발스 힘은 원래 정전기적입니다.
• 그것들은 매우 짧은 범위의 힘입니다. 즉, 분자가 서로 매우 가까울 때만 중요하고 멀어지면 빠르게 사라집니다.
• 두 분자가 가까워지면 특정 최소 거리 아래에서 반 데르 발스 힘이 반발력이 됩니다. 이것은 원자와 분자가 서로 붕괴되지 않도록 합니다.
• 그들은 이온 결합 및 공유 결합에 비해 약한 힘입니다. 이는 작은 부분 전하 사이에 인력이 존재하기 때문이며, 그 중 일부는 매우 짧은 시간 동안만 존재합니다.
• 반 데르 발스 힘의 일부 구성 요소에는 방향성이 없습니다. 이것은 충분히 가까운 두 분자가 서로에 대한 방향에 관계없이 항상 서로를 향한 인력을 느낄 것임을 의미합니다.
• 방향성 부족과 결합하여 두 분자 사이의 접촉 표면이 충분히 크면 상당히 강렬해질 수 있음을 의미합니다.
• Keesom 힘을 제외한 반 데르 발스 힘의 모든 구성 요소는 온도와 무관합니다.
• 구조나 구성에 관계없이 모든 원자 또는 분자 사이에서 발생할 수 있습니다.

반 데르 발스 힘의 구성요소

반 데르 발스 힘은 서로 다른 세 가지 유형의 인력의 합에 해당합니다. 이러한 구성 요소 중 일부는 문제의 원자 또는 분자에 관계없이 항상 존재하는 반면 다른 구성 요소는 극성 분자의 경우에만 발생합니다. 이 세 가지 구성 요소는 다음과 같습니다.

Keesom 힘 또는 쌍극자-쌍극자 상호 작용

반 데르 발스 힘의 세 가지 구성 요소 중 가장 강한 상호 작용은 극성 분자의 반대 극 사이의 인력, 즉 영구 쌍극자를 갖는 것입니다. 두 영구 쌍극자 간의 이러한 유형의 힘 또는 상호 작용은 20세기 초에 이를 연구한 네덜란드 물리학자 Willem Hendrik Keesom의 이름을 따서 Keesom 힘이라고 합니다.

이러한 경우 극성 분자의 쌍극자의 부분 양전하(δ+)는 역시 극성 분자인 두 번째 쌍극자의 부분 음전하(δ-)에 끌립니다(반대의 경우도 마찬가지). 이 분자는 서로 동일하거나 동일하지 않을 수 있습니다.

Keesom 힘은 주로 극성 용매에서 극성 물질의 용해도를 담당합니다. 또한 명백한 이유로 극성 분자 사이에서만 발생합니다.

Debye 힘 또는 유도된 쌍극자-쌍극자 상호 작용

영구 쌍극자를 가진 분자(극성 분자)가 비극성인 중성 분자에 접근하거나 양친매성 분자(극성 머리와 비극성 꼬리를 가짐)의 비극성 부분에 접근하면 쌍극자의 부분 전하가 끌리게 됩니다. 두 번째 분자의 표면에서 전자를 빼내거나(부분적으로 양수인 경우) 전자를 밀어냅니다(부분적으로 음수인 경우). 그 효과는 표면의 전자 분포가 비극성 분자에서 왜곡되어 작은 쌍극자의 형성을 유도한다는 것입니다. 이렇게 유도된 쌍극자는 극성 분자의 쌍극자에 끌립니다.

영구 쌍극자와 유도 쌍극자 사이의 이러한 유형의 상호 작용을 Debye 힘이라고 하며 반데르발스 힘에 대한 강도의 두 번째 구성 요소에 해당합니다.

런던 분산력 또는 유도 쌍극자 유도 쌍극자 상호 작용

분자에 영구 쌍극자 모멘트가 없거나 쌍극자를 가질 수 없는 중성 원자의 경우 런던 분산력이라고 하는 인력이 나타날 가능성이 여전히 있습니다 . 1930년.

이 경우 인력은 전자가 동시에 모든 곳에 존재할 수 없는 입자라는 사실의 결과로 모든 원자와 분자의 표면에서 나타났다가 사라지는 작은 순간 쌍극자 사이에 있습니다. 끊임없는 움직임 때문에 원자나 분자의 한쪽에 다른 쪽보다 더 많은 전자가 있는 경우가 있습니다. 전하의 불균일한 분포는 결코 가만히 있지 않는 전자가 분자의 다른 쪽으로 돌아오자마자 사라지는 작은 쌍극자를 발생시킵니다.

짧은 지속 시간으로 인해 순간 쌍극자라고 불리며 분자, 원자 또는 이온을 포함한 절대적으로 모든 화학 물질의 표면에서 놀라운 빈도로 나타나고 사라집니다. 두 분자가 서로 접근할 때마다 한 분자의 순간 쌍극자와 다른 분자의 순간 쌍극자 사이에 인력이 작용합니다. 이 쌍극자 중 하나가 사라지면 반대편에 또 다른 쌍극자가 나타나며, 주어진 순간에 두 분자에는 항상 일정한 수의 끌어당기는 쌍극자가 있습니다.

런던 힘은 비극성 화합물에 존재하는 유일한 분자간 상호작용이며, 더욱이 모든 반 데르 발스 힘의 가장 약한 구성 요소입니다. 그러나 두 분자 사이의 접촉면이 클수록 서로 끌어당기는 순간 쌍극자의 수가 많아지므로 플라스틱을 형성하는 고분자와 같은 무극성 거대분자의 경우 런던 힘이 상당해질 수 있습니다.

반 데르 발스 힘의 예

• 두 물 분자 사이의 쌍극자-쌍극자 상호 작용.
• 포장 테이프의 접착력.
• 아르곤이나 크립톤과 같은 비활성 가스를 응축할 때 원자를 함께 유지하는 힘은 런던 분산력입니다.
• 메탄올 분자 와 트리글리세리드의 지방족 꼬리 사이에 유도된 쌍극자-쌍극자 상호작용 .
• 이 가스가 물에 용해될 때 물 분자(극성)와 산소 가스 분자(비극성) 사이에서 발생하는 유도 쌍극자-쌍극자 힘.
• 폴리에틸렌 과 같은 플라스틱의 경우 -CH ₂ – 그룹의 긴 비극성 사슬 사이에서 발생하는 런던 힘 .
• 도마뱀붙이 패드가 유리와 같은 광택이 나는 표면에 달라붙는 것입니다.
• 상온에서 액체 상태 의 브롬(Br _{2 ) 분자와 고체 상태의 요오드(I 2} ) 분자를 결합시키는 힘 .

참조

Heltzel, 칼 E. (2020년 10월). 끈끈한 혁신이 세상을 바꾼 방법. ChemMatters. https://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/resources/highschool/chemmatters/issues/2020-2021/october-2020/sticky-chemistry-pages.pdf 에서 가져옴

R. 모레노, E. 배니어(2015). 3- 공급원료 현탁액 및 용액. In Future Development of Thermal Spray Coats, 편집자: Nuria Espallargas. 51-80. 우드헤드 퍼블리싱. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780857097699000038 에서 가져옴

Adaira, JH, Suvacib, E., Sindela, J. (2001) 표면 및 콜로이드 화학. 재료 백과사전: 과학 및 기술. 1-10. 엘스비어. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0080431526016223 에서 가져옴

반 데르 발스 세력. (일차). https://e1.portalacademico.cch.unam.mx/alumno/quimica1/unidad2/tiposdeenlaces/vanderwaals 에서 가져옴

EcuRed. (일차). 반 데르 발스 힘 – EcuRed. https://www.ecured.cu/Fuerzas_de_Van_der_Waals 에서 가져옴