van der Waals styrkor

Van der Waals krafter är det samlingsnamn som ges till de intermolekylära interaktioner som är ansvariga för de svaga attraktionerna mellan neutrala kemiska arter som atomer och molekyler. De är relativt svaga krafter med mycket kort räckvidd och som utgörs av summan av tre olika typer av krafter som kan eller inte kan vara närvarande samtidigt. Dessa tre krafter är Keesom-styrkorna, Debye-styrkorna och Londons spridningsstyrkor.

Även om de är mycket svagare interaktioner än de bindningskrafter som finns i joniska, metalliska och kovalenta bindningar, kan de bli betydande när de inblandade molekylerna är tillräckligt stora.

Van der Waals krafter är ansvariga för förmågan hos gecko och leddjur att klättra på mycket släta ytor som glas och keramik.

De är också ansvariga för vidhäftningskrafterna mellan olika ytor och tejpen, samt andra klibbiga ämnen. Faktum är att tejp finns tack vare van der Waals krafter. Dessa krafter är tillräckligt starka på nära håll för att hålla ihop de bitar vi vill sammanfoga (som till exempel locken på en kartong), men samtidigt är de tillräckligt svaga för att vi enkelt kan lossa dem.

Egenskaper för van der Waals styrkor

• Liksom alla interaktioner mellan atomer och molekyler är van der Waals krafter elektrostatiska till sitt ursprung.
• Det är krafter med mycket kort räckvidd, vilket betyder att de bara är signifikanta när molekylerna är mycket nära varandra och försvinner snabbt när de kommer längre ifrån varandra.
• När två molekyler kommer närmare, under ett visst minimiavstånd, blir van der Waals krafter frånstötande. Detta säkerställer att atomer och molekyler inte kollapsar in i varandra.
• De är svaga krafter jämfört med joniska och kovalenta bindningar. Detta beror på att det finns attraktionskrafter mellan små delladdningar, av vilka några endast existerar under mycket korta tidsperioder.
• Vissa av komponenterna i van der Waals-styrkorna har inte riktning. Detta innebär att två molekyler som är tillräckligt nära kommer alltid att känna en attraktionskraft mot varandra oavsett deras orientering i förhållande till varandra.
• De är additiva, vilket i kombination med deras bristande riktningsförmåga gör att de kan bli avsevärt intensiva om kontaktytan mellan två molekyler är tillräckligt stor.
• Alla komponenter i van der Waals-krafterna utom Keesom-krafterna är oberoende av temperatur.
• De kan förekomma mellan vilken atom eller molekyl som helst oavsett dess struktur eller sammansättning.

Komponenter av Van der Waals styrkor

Van der Waals krafter motsvarar summan av tre olika typer av attraktionskrafter. Vissa av dessa komponenter är alltid närvarande oavsett vilka atomer eller molekyler det är fråga om, medan andra bara förekommer när det gäller polära molekyler. Dessa tre komponenter är:

Keesomkrafter eller dipol-dipol-interaktioner

Av de tre komponenterna i Van der Waals-krafterna är de mest intensiva interaktionerna de som kommer från attraktionen mellan polära molekylers motsatta poler, det vill säga de som har en permanent dipol. Dessa typer av krafter eller interaktioner mellan två permanenta dipoler kallas Keesom-krafter, efter den holländska fysikern Willem Hendrik Keesom som studerade dem i början av 1900-talet.

I dessa fall attraheras den partiella positiva laddningen (δ+) av en polär molekyls dipol (och vice versa) av den partiella negativa laddningen (δ-) av dipolen hos en andra, även polär molekyl. Dessa molekyler kan vara lika varandra eller inte.

Keesom-krafter är primärt ansvariga för lösligheten av polära ämnen i polära lösningsmedel. Av uppenbara skäl förekommer de också bara mellan polära molekyler.

Debye-krafter eller inducerade dipol-dipol-interaktioner

När en molekyl som har en permanent dipol (en polär molekyl) närmar sig en neutral molekyl som är opolär, eller närmar sig den opolära delen av en amfipatisk molekyl (som har ett polärt huvud och en opolär svans), kommer dipolens partiella laddning attrahera elektroner från ytan av den andra molekylen (om den är delvis positiv) eller stöter bort dem (om den är delvis negativ). Effekten är att fördelningen av elektroner på dess yta kommer att förvrängas i den opolära molekylen, vilket inducerar bildandet av en liten dipol. Denna inducerade dipol attraheras sedan till den polära molekylens dipol.

Dessa typer av interaktioner mellan en permanent dipol och en inducerad dipol kallas Debye-krafter och motsvarar den andra komponenten i intensitet till van derWaals-krafterna.

London dispersionskrafter eller inducerade dipolinducerade dipolinteraktioner

I de fall där en molekyl inte har något permanent dipolmoment eller när det gäller neutrala atomer som inte kan ha dipoler, finns det fortfarande möjligheten att en attraktionskraft som kallas Londons dispersionskraft uppstår, uppkallad efter Fritz London som karakteriserade den år 1930.

I det här fallet ligger attraktionen mellan små momentana dipoler som dyker upp och försvinner på ytan av alla atomer och molekyler som en konsekvens av att elektroner är partiklar som inte kan vara överallt samtidigt. På grund av dess konstanta rörelse finns det tillfällen då det finns fler elektroner på ena sidan av en atom eller molekyl än på den andra. Denna ojämna fördelning av elektriska laddningar ger upphov till en liten dipol som försvinner så fort elektronerna, som aldrig stannar stilla, återvänder till andra sidan av molekylen.

Deras korta varaktighet gör att de kallas momentana dipoler, och de uppträder och försvinner med överraskande frekvens på ytan av absolut alla kemiska ämnen, vare sig det är molekyler, atomer eller joner. Närhelst två molekyler närmar sig varandra, kommer det att finnas attraktionskrafter mellan de momentana dipolerna hos en molekyl och den andras. När en av dessa dipoler försvinner, dyker en annan upp på andra sidan, och det kommer alltid att finnas ett visst antal attraherande dipoler i båda molekylerna vid varje givet ögonblick.

Londonkrafter är de enda intermolekylära interaktionerna som finns i opolära föreningar och dessutom är de den svagaste komponenten av alla van der Waals krafter. Men ju större kontaktyta mellan två molekyler är, desto fler momentana dipoler drar dem till varandra, så Londonkrafterna kan bli betydande i fallet med opolära makromolekyler som polymererna som bildar plasten.

Exempel på van der Waals styrkor

• Dipol-dipol-interaktioner mellan två vattenmolekyler.
• Den vidhäftande styrkan hos packtejpen.
• När man kondenserar ädelgaser som argon eller krypton är krafterna som håller samman atomerna London-spridningskrafter.
• Dipol-dipol-interaktioner inducerade mellan en metanolmolekyl och den alifatiska svansen av en triglycerid.
• De inducerade dipol-dipolkrafterna som uppstår mellan vattenmolekyler (som är polära) och syrgasmolekyler (som är opolära) när denna gas löser sig i vatten.
• När det gäller plaster som polyeten , Londonkrafterna som uppstår mellan de långa opolära kedjorna av grupper -CH ₂ -.
• Vidhäftningen av geckos kuddar till polerade ytor som glas.
• De krafter som håller samman molekylerna brom (Br ₂ ) i flytande tillstånd och jod (I ₂ ) i fast tillstånd vid rumstemperatur.

Referenser

Heltzel, Carl E. (oktober 2020). Hur Sticky Innovations förändrade världen. ChemMatters. Hämtad från 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- Råmaterialsuspensioner och lösningar. I framtida utveckling av termiska spraybeläggningar, redaktör(er): Nuria Espallargas. 51-80. Woodhead Publishing. Hämtad från https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780857097699000038

Adaira, JH, Suvacib, E., Sindela, J. (2001) Yt- och kolloidkemi. I Encyclopedia of Materials: Science and Technology. 1-10. Elsevier. Hämtad från https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0080431526016223

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

EcuRed. (nd). Van der Waals styrkor – EcuRed. Hämtad från https://www.ecured.cu/Fuerzas_de_Van_der_Waals