Van der Vālsa spēki: īpašības un sastāvdaļas

Molekulām ir enerģija, tāpēc tās vienmēr ir kustībā. Tas rada elektriskos dipolus. PASIEKA/SPL, Getty Images

Van der Vālsa spēki ir vājie spēki, kas veicina starpmolekulārais savienošana starp molekulas . Molekulām pēc savas būtības ir enerģija, un to elektroni vienmēr atrodas kustībā, tāpēc īslaicīgas elektronu koncentrācijas vienā vai otrā reģionā noved pie molekulas elektriski pozitīvu reģionu piesaistes citas molekulas elektroniem. Līdzīgi vienas molekulas negatīvi lādētos reģionus atgrūž citas molekulas negatīvi lādētie reģioni.

Van der Vālsa spēki ir pievilcīgo un atgrūdošo elektrisko spēku summa starp atomiem un molekulām. Šie spēki atšķiras no kovalentās un jonu ķīmiskās saites, jo tie rodas daļiņu lādiņa blīvuma svārstību rezultātā. Van der Vālsa spēku piemēri ir ūdeņraža saite , izkliedes spēki , un dipola-dipola mijiedarbība.

Galvenās atziņas: Van der Vālsa spēki

• Van der Vālsa spēki ir no attāluma atkarīgi spēki starp atomiem un molekulām, kas nav saistīti ar kovalentām vai jonu ķīmiskajām saitēm.
• Dažreiz termins tiek lietots, lai aptvertu visus starpmolekulāros spēkus, lai gan daži zinātnieki to vidū iekļāvuši tikai Londonas izkliedes spēku, Debija spēku un Kīsoma spēku.
• Van der Vālsa spēki ir vājākie no ķīmiskajiem spēkiem, taču tiem joprojām ir svarīga loma molekulu īpašībās un virsmas zinātnē.

Van der Vālsa spēku īpašības

Dažus raksturlielumus parāda van der Vālsa spēki:

• Tās ir piedevas.
• Tās ir vājākas nekā jonu vai kovalentās ķīmiskās saites.
• Tie nav virzīti.
• Viņi darbojas tikai ļoti īsā diapazonā. Mijiedarbība ir lielāka, kad molekulas tuvojas.
• Tie ir neatkarīgi no temperatūras, izņemot dipola-dipola mijiedarbību.

Van der Vālsa spēku sastāvdaļas

Van der Vālsa spēki ir vājākie starpmolekulārie spēki . To stiprums parasti svārstās no 0,4 kilodžouliem uz molu (kJ/mol) līdz 4 kJ/mol un darbojas attālumos, kas ir mazāki par 0,6 nanometriem (nm). Ja attālums ir mazāks par 0,4 nm, spēku tīrais efekts ir atgrūdošs, jo elektronu mākoņi atgrūž viens otru.

Van der Vālsa spēkos ir četri galvenie ieguldījumi:

1. Negatīvs komponents neļauj molekulām sabrukt. Tas ir saistīts ar Pauli izslēgšanas princips .
2. Starp pastāvīgiem lādiņiem notiek pievilcīga vai atbaidoša elektrostatiskā mijiedarbība, dipoli , četrpolu un daudzpolu. Šo mijiedarbību sauc par Keesom mijiedarbību vai Keesom spēku, kas nosaukta Vilema Hendrika Kīsoma vārdā.
3. Notiek indukcija vai polarizācija. Tas ir pievilcīgs spēks starp pastāvīgu polaritāti vienā molekulā un inducētu polaritāti citā. Šo mijiedarbību sauc par Debija spēku Pīteram Dž. Debye.
4. Londonas dispersijas spēks ir pievilkšanās starp jebkuru molekulu pāri momentānas polarizācijas dēļ. Spēki nosaukti Friča Londona vārdā. Ņemiet vērā, ka pat nepolāras molekulas piedzīvo Londonas izkliedi.

Van der Vālsa spēki, gekoni un posmkāji

Gekoniem, kukaiņiem un dažiem zirnekļiem uz pēdu spilventiņiem ir sēnes, kas ļauj uzkāpt pa ļoti gludām virsmām, piemēram, stiklu. Patiesībā gekons var karāties pat no viena pirksta! Zinātnieki ir piedāvājuši vairākus šīs parādības skaidrojumus, taču izrādās, ka galvenais adhēzijas cēlonis, vairāk nekā van der Vāla spēki vai kapilārā darbība, irelektrostatiskais spēks.

Pētnieki ir izstrādājuši sausu līmi un līmlenti, pamatojoties uz gekonu un zirnekļa pēdu analīzi. Lipīgumu rada sīki Velcro līdzīgi matiņi un lipīdi, kas atrodami uz gekona pēdām.

Gekona pēdas ir lipīgas van der Vāla spēku, elektrostatisko spēku un uz to ādas esošo lipīdu dēļ. StephanHoerold / Getty Images

Reālās dzīves Zirnekļcilvēks

2014. gadā Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra (DARPA) pārbaudīja savu gekonu iedvesmoto Geckskin — materiālu, kura pamatā ir gekons kāju spilventiņi un paredzēti, lai sniegtu militārpersonām Zirnekļcilvēkam līdzīgas spējas. 220 mārciņas smags pētnieks, kuram bija papildu 45 mārciņas rīki, veiksmīgi pārvarēja 26 pēdu stikla sienu, izmantojot divas kāpšanas lāpstiņas.

Zinātnieki ir atraduši veidu, kā izmantot van der Vāla spēkus, lai palīdzētu cilvēkiem pieķerties gludām virsmām, piemēram, stiklam un sienām. OrangeDukeProductions / Getty Images

Avoti

• Kellar, Autumn u.c. 'Pierādījumi par Van der Vāla saķeri Gecko Setae.' Proceedings of the National Academy of Sciences , sēj. 99, Nr. 19, 2002, 12252–6. doi:10.1073/pnas.192252799.
• Dzjalosinskis, I. E. u.c. 'Van der Vāla spēku vispārīgā teorija.' Padomju fizika Uspekhi , sēj. 4, nē. 2, 1961. doi:10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.
• Izraēlačvili, Dž. Starpmolekulārie un virsmas spēki . Academic Press, 1985.
• Parsegians, V. A. Van der Waals Forces: rokasgrāmata biologiem, ķīmiķiem, inženieriem un fiziķiem. Cambridge University Press, 2005.
• Volfs, J. O., Gorbs, S. N. “Mitruma ietekme uz zirnekļa pieķeršanās spēju Filodroms dispar (Araneae, Philodromidae). Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences , sēj. 279, Nr. 1726, 2011. doi: 10.1098/rspb.2011.0505 .