Ван дер Ваалсови сили: междумолекулни взаимодействия и значение

Ван дер Ваалсови сили: ясно обяснение на междумолекулните взаимодействия и тяхното значение за структура, разтворимост, полимери, ензими и нанотехнологии.

В химията силите на Ван дер Ваалс са вид междумолекулни сили. Междумолекулната сила е относително слаба сила, която държи молекулите заедно. Силите на Ван дер Ваалс са най-слабият вид междумолекулни сили. Те са наречени на името на холандския учен Йоханес Дидерик ван дер Ваалс (1837-1923 г.), известен и с работата си върху уравненията за състоянието на газовете и течностите (за което получава Нобелова награда).

Как възникват тези сили

Отрицателно заредените електрони обикалят около молекули или йони. Електроните създават малко по-различни заряди от единия до другия край на молекулата. Тези малки разлики се наричат частични заряди, като δ- или δ+ и са причина за електростатични взаимодействия между молекулите.

Видове взаимодействия, обхващани от „Ван дер Ваалс“

• Лондонова дисперсия (инстантани диполи) — възниква, когато моментни флуктуации в електронната облачност създават временни диполи. Тази компонента присъства при всички молекули и е доминираща при неполярни вещества (напр. благородни газове, въглеводороди). Дисперсионните сили стават по-силни с нарастване на поляризуемостта (по-големи, по-еластични електронни облаци) и с масата на молекулата.
• Дипол–дипол взаимодействия — между молекули с постоянни диполни моменти; ориентацията и температурата влияят силно на тяхната сила. Те са по-силни от дисперсионните сили при молекули със значителен постоянен дипол.
• Дипол–индуциран дипол — постоянен дипол в една молекула индуцира дипол в друга, неполярна молекула; тази компонента също допринася за Ван дер Ваалсовите взаимодействия.
• Водородни връзки — често се разглеждат отделно, но на микронивo те са вид силно дипол–дипол взаимодействие (напр. O–H···O, N–H···O, F участва). Водородните връзки са значително по-силни от типичните Ван дер Ваалсови дисперсионни сили, но обикновено по-слаби от ковалентните връзки.

Мащаб, разстояние и математично описание

Енергията на тези взаимодействия е относително малка — типично в интервала единици до няколко десетки kJ/mol (за сравнение, ковалентните връзки са няколко стотин kJ/mol). В много модели взаимодействието на Ван дер Ваалс се описва с Lennard-Jones потенциал, при който отблъскващият термин расте много бързо при малки разстояния (поради Паулиевото изключване) и атрактивният термин (напр. дисперсионната част) пада приблизително като r^-6 с увеличаване на разстоянието r между молекулите.

Значение и приложения

Въпреки своята относителна слабост, силите на Ван дер Ваалс имат ключова роля в много явления и технологии:

• Определят физични свойства като точките на топене и кипене, разтворимост, повърхностно напрежение и вискозитет.
• Обясняват съществуването на течни и твърди фази при неполярни молекули (напр. течен кислород, течни благородни газове при ниски температури).
• В биологичните системи — важни за надмолекулната химия, ензимите, стабилизацията на белтъчни структури, подреждането на мембрани и π–π стекване в ДНК.
• В материалознанието и нанотехнологиите — слоесто подреждане (напр. графит, 2D материали), нанотехнологии и физиката на кондензираната материя. Понятието „van der Waals хетероструктури“ описва събиране на различни двумерни материали, държащи се чрез тези слаби сили.
• Технологични приложения — адхезия (напр. краката на геконите се задържат чрез колективното действие на Ван дер Ваалсови сили), самосглобяване на молекули, дизайн на полимери и повърхности (полимерната наука, науката за повърхностите).

Примери

Няколко типични примера, илюстриращи ролята на тези сили:

• Нарастването на точката на кипене по групи от въглеводороди се дължи предимно на увеличаване на дисперсионните взаимодействия с масата.
• Кондензацията на благородни газове при ниски температури е резултат от Лондонова дисперсия.
• Стабилността на двойната спирала на ДНК се подпомага значително от междуслойно π–π стекване (дисперсионен характер).

Как се изследват

Ван дер Ваалсовите сили се изучават чрез експериментални техники като атомно-силовата микроскопия (AFM), повърхностно-силов апарат (SFA), дифракция, калориметрия и чрез теоретични/компютърни методи (молекулна динамика, квантово–химични изчисления с подходящи корекции за дисперсия).

Понякога терминът „силите на Ван дер Ваалс“ се използва свободно като синоним на всички междумолекулни сили. В действителност те представляват група слаби електростатични и дисперсионни взаимодействия, които, макар и по-слаби от ковалентните връзки, са незаменими за разбирането на поведението на молекулите в природата и технологиите.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява силата на Ван дер Ваалс?

В: Кой е Йоханес Дидерик ван дер Ваалс?

В: Какво представляват частичните заряди?

Въпрос: Как силата на Ван дер Валс се сравнява с други сили?

Въпрос: Какви свойства определят силите на Ван дер Валс за органичните съединения?

В: Какво означава "надмолекулен"?

Търсене по буква