Εξηγούμε ποιες είναι οι δυνάμεις του Van der Waals και σε ποιες περιπτώσεις εκδηλώνονται. Επίσης, γιατί έχουν τέτοιο όνομα και τα χαρακτηριστικά τους.
Ποιες είναι οι δυνάμεις του Van der Waals;
Είναι γνωστό ως δυνάμεις Van der Waals ή αλληλεπιδράσεις Van der Waals σε έναν ορισμένο τύπο ελκυστικών ή απωστικών διαμοριακών δυνάμεων, διαφορετικές από αυτές που δημιουργούν ατομικούς δεσμούς (ιωνικός, μεταλλικός ή ομοιοπολική τύπου πλέγματος) ή την ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ ιόντων και άλλοι μόρια.
Πριν αναφέρουμε τους διαφορετικούς τύπους δυνάμεων Van der Waals, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τι είναι η χημική πολικότητα. Η χημική πολικότητα είναι μια ιδιότητα των μορίων που τείνουν να διαχωρίζουν τα ηλεκτρικά φορτία στη δομή τους.Είναι μια ιδιότητα που σχετίζεται στενά με διαμοριακές δυνάμεις (όπως αυτές του Van der Waals), με το διαλυτότητα και με τα σημεία του σύντηξη Υ βρασμός. Ανάλογα με την πολικότητα, τα μόρια μπορούν να ταξινομηθούν σε:
- Πολικά μόρια. Σχηματίζονται από άτομα με πολύ διαφορετική ηλεκτραρνητικότητα. Το άτομο με την υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα έλκει ηλεκτρόνια του δεσμού και μένει με αρνητική πυκνότητα φορτίου πάνω του. Από την άλλη πλευρά, το άτομο με χαμηλότερη ηλεκτραρνητικότητα θα έχει θετική πυκνότητα φορτίου πάνω του. Αυτή η κατανομή των φορτίων θα οδηγήσει τελικά στο σχηματισμό ενός διπόλου (σύστημα δύο φορτίων αντίθετου προσήμου και ίσου μεγέθους).
- Μη πολικά μόρια. Αποτελούνται από άτομα με ίση ηλεκτραρνητικότητα, επομένως όλα τα άτομα προσελκύουν τα ηλεκτρόνια του δεσμού με τον ίδιο τρόπο.
Ένας παράγοντας που καθορίζει επίσης την πολικότητα ενός μορίου είναι η μοριακή συμμετρία. Υπάρχουν μόρια που αποτελούνται από άτομα διαφορετικής ηλεκτραρνητικότητας, τα οποία όμως δεν είναι πολικά. Αυτό συμβαίνει επειδή όταν προστίθενται οι διαφορετικές πυκνότητες φορτίου των μερών του μορίου, ακυρώνονται και καταλήγουν σε μια μηδενική διπολική ροπή.
Έτσι, οι δυνάμεις του Van der Waals εκδηλώνονται με τρεις συγκεκριμένους τρόπους:
- Keesom ελκτικές δυνάμεις (αλληλεπιδράσεις διπόλων-διπόλων). Είναι αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολικών μορίων, δηλαδή μόνιμα πολωμένα. Έτσι, αυτά τα μόρια έχουν θετικό πόλο (με θετική πυκνότητα φορτίου 𝛅 +) και αρνητικό πόλο (με αρνητική πυκνότητα φορτίου 𝛅–), και είναι προσανατολισμένα έτσι ώστε ο θετικός πόλος να πλησιάζει τον αρνητικό πόλο.
- Ελκτικές δυνάμεις Debye (μόνιμες αλληλεπιδράσεις διπόλων που προκαλούνται από δίπολα). Λαμβάνουν χώρα μεταξύ ενός πολικού μορίου και ενός πολικού μορίου, αλλά αυτό παρουσιάζει μια επαγόμενη πολικότητα. Σε αυτόν τον τύπο αλληλεπίδρασης, το δίπολο προκαλεί ένα παροδικό δίπολο στο πολικό μόριο.
- Δυνάμεις σκέδασης Λονδίνου (επαγόμενο δίπολο επαγόμενο από το δίπολο). Είναι αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ πολικών μορίων. Η κίνηση των ηλεκτρονίων σε αυτά τα μόρια προκαλεί παροδικά δίπολα, τα οποία προκαλούν κάποια έλξη μεταξύ τους. Είναι πολύ αδύναμες αλληλεπιδράσεις.
Όλες αυτές οι διαμοριακές δυνάμεις είναι γνωστές ως δυνάμεις Van der Waals, ένα όνομα που αποτίει φόρο τιμής στον Ολλανδό φυσικό Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), τον πρώτο που πρότεινε τα αποτελέσματά τους στις εξισώσεις κατάστασης ενός αερίου (γνωστός ως η Εξίσωση Van der Waals) το 1873. Για το εύρημα αυτό του απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής το 1910.
Χαρακτηριστικά των δυνάμεων Van der Waals
Οι δυνάμεις Van der Waals αυξάνονται με το μήκος του μη πολικού άκρου μιας ουσίας.
Οι δυνάμεις του Van der Waals είναι γενικά αδύναμες σύγκριση με το χημικούς δεσμούς συνηθισμένο, γεγονός που δεν τους εμποδίζει να είναι θεμελιώδεις σε διάφορους τομείς του φυσικός, ο βιολογία και της μηχανικής. Χάρη σε αυτούς πολλά χημικές ενώσεις μπορεί να οριστεί.
Οι δυνάμεις του Van der Waals αυξάνονται με το μήκος του μη πολικού άκρου του α ουσία, καθώς προκαλούνται από συσχετίσεις μεταξύ κυμαινόμενων πόλωσης μεταξύ ατόμων, μορίων ή κοντινών επιφανειών, συνέπεια της κβαντικής δυναμικής.
Εμφανίζουν ανισοτροπία, δηλαδή οι ιδιότητές τους ποικίλλουν ανάλογα με τον προσανατολισμό των μορίων: συχνά εξαρτάται από το αν είναι ελκυστικά ή απωθητικά.
Αυτές οι δυνάμεις είναι οι πιο αδύναμες που εμφανίζονται μεταξύ μορίων στο φύση: Απαιτούνται μόνο 0,1 έως 35 kJ / mol ενέργειας για να ξεπεραστούν. Ωστόσο, είναι καθοριστικής σημασίας για τη διαμόρφωση του πρωτεΐνη.