Силы Ван-дер-Ваальса – это слабые силы, которые способствуют межмолекулярной связи между молекулами. Молекулы по своей природе обладают энергией, и их электроны всегда находятся в движении, поэтому переходные концентрации электронов в той или иной области приводят к тому, что электрически положительные области молекулы притягиваются к электронам другой молекулы. Точно так же отрицательно заряженные области одной молекулы отталкиваются отрицательно заряженными областями другой молекулы.
Силы Ван-дер-Ваальса представляют собой сумму электрических сил притяжения и отталкивания. между атомами и молекулами. Эти силы отличаются от ковалентной и ионной химической связи, потому что они возникают в результате флуктуаций плотности заряда частиц. Примеры сил Ван-дер-Ваальса включают водородные связи, дисперсионные силы и диполь-дипольные взаимодействия.
Ключевые выводы: силы Ван-дер-Ваальса
- Силы Ван-дер-Ваальса – это силы, зависящие от расстояния между атомами и молекулами, не связанные ковалентными или ионными химическими связями.
- Иногда этот термин используется для обозначения всех межмолекулярных сил, хотя некоторые ученые включают среди них только лондонскую дисперсионную силу, силу Дебая и силу Кизома.
- Силы Ван-дер-Ваальса являются самыми слабыми из химических сил, но они по-прежнему играют важную роль в свойствах молекул и в науке о поверхности.
Свойства сил Ван-дер-Ваальса
Определенные характеристики отображаются силами Ван-дер-Ваальса:
- Они аддитивны.
- Они слабее, чем ионные или ковалентные химические связи.
- Они не являются направленными.
- Они действуют только над r очень короткий диапазон. Взаимодействие усиливается, когда молекулы сближаются.
- Они не зависят от температуры, за исключением диполь-дипольных взаимодействий.
Компоненты сил Ван-дер-Ваальса
Силы Ван-дер-Ваальса – самые слабые межмолекулярные силы. Их сила обычно составляет от 0,4 килоджоулей на моль (кДж/моль) до 4 кДж/моль и действует на расстояниях менее 0,6 нанометров (нм). Когда расстояние меньше 0,4 нм, результирующий эффект сил будет отталкивающим, поскольку электронные облака отталкиваются друг от друга.
Есть четыре основных вклада в ван дер Силы Ваальса:
- Отрицательный компонент предотвращает коллапс молекул. Это связано с принципом исключения Паули.
- Между постоянными зарядами, диполями, квадруполями и мультиполями происходит либо притягивающее, либо отталкивающее электростатическое взаимодействие. Это взаимодействие называется взаимодействием Кизома или силой Кисома, названной в честь Виллема Хендрика Кисома.
- Происходит индукция или поляризация. Это сила притяжения между постоянной полярностью одной молекулы и индуцированной полярностью другой. Это взаимодействие называется силой Дебая, по словам Питера Дж. У. Дебай.
- Лондонская дисперсионная сила – это притяжение между любой парой молекул из-за мгновенной поляризации. Отряд назван в честь Фрица Лондона. Обратите внимание, что даже неполярные молекулы испытывают лондонскую дисперсию.
Силы Ван-дер-Ваальса, гекконы и членистоногие
Гекконы , насекомые и некоторые пауки имеют щетинки на подушечках ног, которые позволяют им лазать по чрезвычайно гладким поверхностям, таким как стекло. Фактически, геккон может висеть даже на одном пальце ноги! Ученые предложили несколько объяснений этого явления, но оказалось, что основной причиной адгезии, большей, чем силы Ван-дер-Ваальса или капиллярного действия, является электростатическая сила.
Исследователи создали сухой клей и липкую ленту на основе анализа лап геккона и паука. Липкость возникает из-за крошечных волосков на липучке и липидов на лапах геккона.
Человек-паук из реальной жизни
В 2014 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) протестировала свою гекконовую шкуру, материал, основанный на щетинках подушечек лап геккона и предназначенный для придания военнослужащим способностей, подобных Человеку-пауку. 220-фунтовый исследователь, несший дополнительные 45 фунтов снаряжения, успешно преодолел 26-футовую стеклянную стену, используя две весла для лазания.
Источники
- Kellar, Autumn, et al. «Доказательства Ван-дер-Ваальсовой адгезии у щетинок геккона». Труды Национальной академии наук , т. 99, нет. 19, 2002, 12252–6. doi: 10.1073/pnas.192252799.
- Дзялошинский И.Э. и др. «Общая теория сил Ван-дер-Ваальса». Успехи советской физики , т. 4, вып. 2, 1961. doi: 10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.
- Израэлачвили Дж. Межмолекулярные и поверхностные силы . Academic Press, 1985.
- Parsegian, VA Силы Ван-дер-Ваальса: Справочник для биологов, химиков, инженеров и физиков. Cambridge University Press, 2005.
- Вольф, Дж. О., Горб, С. Н. «Влияние влажности на прикрепляющуюся способность паука Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae) “. Труды Королевского общества B: Биологические науки , vol. 279, нет. 1726, 2011. doi: 10.1098/rspb.2011.0505.