Van der Waalsova síla

V fyziky a chemie , je van der Waalsovy síly , van der Waalsovy interakce nebo Van der Waalsovy vazby je meziatomové potenciál z důvodu slabé elektrické interakce mezi dvěma atomy nebo molekuly , nebo mezi molekulou a krystalu . Představuje statistický průměr všech možných konfigurací interakce vážený jejich pravděpodobností při termodynamické rovnováze . Tento průměr vede k atraktivní síle. Tyto síly byly pojmenovány na počest nizozemského fyzika Johannesa Diderika van der Waalsa (1837 - 1923), nositele Nobelovy ceny za fyziku 1910, který jako první v roce 1873 představil jejich účinky do rovnic stavu plynu (viz Rovnice stavu van der Waals ).

Formulace

Van der Waalsovy síly jsou způsobeny interakcí mezi dipóly, ať už se jedná o trvalé dipóly molekul nebo dipóly indukované interakcí. Velká vzdálenost mezi molekulami umožňuje výpočet poruch ve formě multipolárního vývoje, u kterého jsou zachovány pouze první členy, které jsou poté statisticky zprůměrovány. Získáváme:

elektrostatická interakce mezi dvěma permanentními multipóly . Říká se jim síly Keesom ;
interakce mezi permanentním multipólem a indukovaným multipólem (indukční efekty). Nazývají se Debyeovy síly ;
elektrostatická interakce mezi dvěma indukovanými multipóly (efekty disperze). Říká se jim londýnské síly .

Potenciální energie van der Waalsových sil, proto mohou být formulovány následujícím způsobem: $E _ {{{\ text {van der Waals}}}}$

{\ displaystyle E _ {\ text {van der Waals}} = - {\ frac {1} {r ^ {6}}} \ left [\ underbrace {\ frac {2 \, \ mu _ {1} ^ { 2} \, \ mu _ {2} ^ {2}} {3 \, (4 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}) ^ {2} \, k_ {B} T}} _ {E _ {\ text {Keesom}}} + \ underbrace {\ frac {\ alpha _ {1} \, \ mu _ {2} ^ {2} + \ alpha _ {2} \, \ mu _ {1 } ^ {2}} {(4 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}) ^ {2}}} _ {E _ {\ text {Debye}}} + \ underbrace {{\ frac { 3h} {2}} {{\ frac {\ alpha _ {1} \, \ alpha _ {2}} {(4 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}) ^ {2}}} {\ frac {\ nu _ {1} \, \ nu _ {2}} {\ nu _ {1} + \ nu _ {2}}}}} _ {E _ {\ text {London}}} \ že jo]}

Tři termíny tohoto výrazu lze rozdělit následovně:

${\ displaystyle E _ {\ text {Keesom}} = - {\ frac {1} {r ^ {6}}} \ left [{\ frac {2 \, \ mu _ {1} ^ {2} \, \ mu _ {2} ^ {2}} {3 \, (4 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}) ^ {2} \, k_ {B} T}} \ vpravo]}$

Tato energie je spojena s Keesomovými silami díky interakci mezi dvěma polárními molekulami.

Interakce dipól-dipól je mnohem slabší než interakce iont-dipól, protože k interakci dochází mezi dílčími náboji . Typická potenciální energie tohoto typu interakce je řádově 2 kJ / mol. Mění se nepřímo se vzdáleností k síle 6 mezi středem dipólů každé z těchto molekul.

${\ displaystyle E _ {\ text {Debye}} = - {\ frac {1} {r ^ {6}}} \ left [{\ frac {\ alpha _ {1} \, \ mu _ {2} ^ {2} + \ alpha _ {2} \, \ mu _ {1} ^ {2}} {(4 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}) ^ {2}}} \ vpravo] }$

Tato energie souvisí s Debyeho silami v důsledku interakce mezi polární molekulou a indukovaným dipólem .

${\ displaystyle E _ {\ text {London}} = - {\ frac {1} {r ^ {6}}} \ left [{\ frac {3h} {2}} \, {{\ frac {\ alpha _ {1} \, \ alpha _ {2}} {(4 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}) ^ {2}}} \, {\ frac {\ nu _ {1} \ , \ nu _ {2}} {\ nu _ {1} + \ nu _ {2}}}} \ vpravo]}$

Tato energie souvisí s londýnskými silami díky interakci mezi dvěma indukovanými dipóly .

Zde jsme použili následující notace:

$\ epsilon _ {0}$ je dielektrická konstanta vakua;
${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$ relativní permitivita média;
$h$ na Planckova konstanta ;
$k_ {B}$ Boltzmannova konstanta ;
$T$ termodynamická teplota (v K);
$r$ průměrná vzdálenost mezi uvažovanými molekulami;
$\ mu _ {1}$ a jsou dipólové momenty molekul v úvahu; $\ mu _ {2}$
${\ displaystyle \ nu _ {1}}$ a frekvence elektronické ionizace (v Hz); ${\ displaystyle \ nu _ {2}}$
$\ alpha _ {1}$ a na elektronické polarizabilities . $\ alpha _ {2}$

Tyto síly lze vyjádřit různými způsoby, když se vzdálenosti mezi zúčastněnými molekulami stanou většími než několik nanometrů . Pak je nutné vzít v úvahu efekty zpoždění v důsledku šíření světla s konečnou rychlostí ( Casimir -Polderovy síly ).

Interakce iontů a dipólů a hydratace iontů v roztocích

Interakce ion-dipól je výsledkem přitažlivosti anionu orientovaného kladným částečným nábojem dipólu nebo přitahování kationtu orientovaného záporným částečným nábojem dipólu. Potenciální energie je záporná a zvyšuje se na inverzní mocninu vzdálenosti, jak je uvedeno v následujícím vzorci:

{\ displaystyle E _ {\ text {ion-dipole}} = - {\ frac {\ mu _ {1} \, q_ {2}} {(4 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r} ) \, r ^ {2}}}}

nebo:

$\ mu$ je dipólový moment;
$q$ je náboj iontu;
$\ epsilon _ {0}$ je permitivita vakua;
${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$ je relativní permitivita média;
$r$ je vzdálenost mezi středem dipólu a iontem.

Typická potenciální energie pro tento typ interakce je asi 15 kJ / mol. Tato přitažlivost se ve velké vzdálenosti (mezi dipólem a iontem) stává nulovou. Tato interakce je zodpovědná za hydrataci iontů v roztoku.

Van der Waalsovy síly se získávají odvozením vyjádření van der Waalsovy energie . Z toho vyplývá, že se liší . ${\ displaystyle \ mathbf {F} = - \ nabla E}$ $r ^ {{- 7}}$

Účinky

Na velmi dlouhé vzdálenosti, kde již nemůže být o otázku chemické vazby, van der Waalsovy síly vstoupit do rámce kvantové elektrodynamiky : v krátké a dlouhé vzdálenosti, jsou vhodně popsány jako vzhledem k výměně částic virtuální. Mezi atomy. Poté vstupujeme do rámce Casimirových sil a snižujeme se . $r ^ {{- 8}}$

Van der Waalsovy vazby nespadají do rozsahu chemických vazeb v tom smyslu, že elektrony zůstávají vázány na příslušné atomy (nebo molekuly) (podmínky výměny zůstávají zanedbatelné). Jsou na počátku termínu podtlaku zasahujícího do korekce v rovnici ideálních plynů. Jsou nezbytné pro pochopení sil mezi atomy vzácného plynu.

Na velmi krátké vzdálenosti pak vstupujeme do oblasti chemie, kde se různé vazby ( vodíkové vazby , vazebné kovy ...) stávají konkurenceschopnými a mohou vyhrát.

Van der Waalsovy síly se tak podílejí na physisorpci a vstupují do hry ve fenoménu kapilarity .

Tyto síly jsou původem kontaktních sil mezi pevnými látkami a mohou vysvětlovat schopnost gekonů přilnout k povrchům. Vědci se několika způsoby snaží tuto kvalitu aplikovat ve formě adhezivního produktu. Cílem, který si vědci stanovili, je vytvořit produkt, který je dvousetkrát adherentnější než přírodní materiál (gekon). DARPA (DARPA), v současné době vyvíjí způsob, který by umožnil voják vylézt na stěnu při rychlosti 0,5 m / s v projektu Z-Man. Laboratorní experimenty testují nové nanoadhezivní technologie využívající vlastnosti van der Waalsových sil. Vědci jako Dr. Ali Dhinojwala, Betul Yurdumakan, Nachiket Raravikar a Pulickel Ajayan z Akron University a Rensselaer Polytechnic Institute v New Yorku ve Spojených státech vyvinuli materiál založený na sloupcích nanotrubiček, které by reagovaly trochu jako nohy gekona i když čtyřikrát lepivější než tyto. Výhodou této nanotechnologie je, že materiál pevně přilne, ale poté jej lze odstranit bez ztráty přilnavosti, a proto jej lze znovu použít. Vývoj financovaný z DARPA na University of Massachusetts vyústil ve vytvoření vúnora 2012 z materiálu zvaného „Geckskin“ (rozsvícená kůže gekona) schopného nést několik stovek kilogramů přibližně 100 cm² produktu.

Poznámky a odkazy

P. W. Atkins, General Chemistry, Inter Editions, 1992.
http://chimge.unil.ch/En/inter/1II07.htm
PW Atkins, Physical Chemistry, Freeman, 5. vydání, 1996, kapitola 22.
Syntetické chlupy gekonů vedoucí k opakovaně použitelným lepidlům, přístup k 30. dubnu 2009.
Lepidlo podobné gekonům je považováno za dosud nejlepší, dostupné 30. dubna 2009.
Lepidlo nanotrubiček se lepí lépe než noha gekona , přístup 30. dubna 2009.
http://www.umass.edu/newsoffice/newsreleases/articles/146885.php

Dodatky

Bibliografie

(en) DA McQuarrie a JD Simon, Fyzikální chemie: molekulární přístup , University Science Books,1997, 1270 str. ( ISBN 978-0-935702-99-6 )
(en) AJ Stone , Theory of Intermolecular Forces , Oxford University Press ,2002, 339 s. ( ISBN 978-0-19-967239-4 , číst online )

Podívejte se také