Van der Waalsove sile – definicija, vrste in pomen v kemiji

Van der Waalsove sile: jasna definicija, vrste in njihov ključni pomen v kemiji — vpliv na medmolekulske interakcije, lastnosti snovi, supramolekularno kemijo in nanotehnologijo.

Avtor: Leandro Alegsa

A molecule with a difference in charge, from end to end

V kemiji so van der Waalsove sile vrsta medmolekulskih sil. Medmolekulska sila je razmeroma šibka sila, ki drži molekule skupaj. Van der Waalsove sile so najšibkejša vrsta medmolekulskih sil. Ime so dobile po nizozemskem znanstveniku Johannesu Dideriku van der Waalsu (1837-1923).

Negativno nabiti elektroni krožijo okoli molekul ali ionov. Elektroni ustvarjajo nekoliko drugačne naboje od enega do drugega konca molekule. Te majhne razlike imenujemo delni naboji, kot δ- ali δ+.

Izraz se včasih uporablja ohlapno kot sinonim za vse medmolekulske sile. Van der Waalsove sile so v primerjavi s kovalentnimi vezmi razmeroma šibke, vendar imajo temeljno vlogo v supramolekularni kemiji, encimih, polimerni znanosti, nanotehnologiji, znanosti o površinah in fiziki kondenzirane snovi. Van der Waalsove sile določajo številne lastnosti organskih spojin, vključno z njihovo topnostjo.

Kaj so van der Waalsove sile — jedrnata razlaga

Van der Waalsove sile so zbirka šibkih elektromagnetnih interakcij med atomi ali molekulami, ki vključujejo:

  • interakcije med stalnimi dipoli (orientacijske ali Keesomove sile),
  • interakcije med stalnim dipolom in induciranim dipolom (Debyeove sile),
  • instantne inducirane dipolne interakcije (Londonove disperzijske sile).
    • Te sile izvirajo iz porazdelitve elektronov in so prisotne med vsemi nevtralnimi molekulami — tudi med nepolarnimi.

    Vrste van der Waalsovih sil

    1. Keesomove (dipol–dipol) sile: delujejo med molekulami, ki imajo stalen električni dipol. Odvisne so od orientacije dipolov in se pri višjih temperaturah zaradi rotacije molekul osrednjo zmanjšajo.

    2. Debyeove (dipol–inducirani dipol) sile: nastanejo, ko trajni dipol polarizira sosednjo molekulo in v njej inducira dipol. Moč je odvisna od velikosti stalnega dipola in polarizabilnosti druge molekule.

    3. Londonove disperzijske sile: posledica trenutnih nihanj v porazdelitvi elektronov, ki inducirajo dipole v sosednjih atomih/molekulah. Te sile obstajajo med vsemi atomi in molekulami in so pogosto prevladujoče pri nepolarnih snoveh. Njihova energija se približno zmanjšuje s šestim potekom razdalje (∝ r^−6).

    Kako delujejo in kako močne so

    Van der Waalsove sile so kratkodometne (pomembne na razdaljah redkih nanometrov). Tipična energija ene van der Waalsove interakcije je majhna — od nekaj desetink do nekaj kJ/mol pri posamezni interakciji med manjšimi molekulami. Vendar se lahko število takih interakcij na površinah ali v velikih molekulah sešteje in da zelo opazen makroskopski učinek (npr. lepljenje, točke vrenja).

    Za kvalitativno modeliranje se pogosto uporablja Lennard-Jonesov potencial: U(r) = 4ε[(σ/r)^12 − (σ/r)^6], kjer je drugi člen povezan z disperzijo (∝ r^−6) in prvi člen modelira kratkodometno odbijanje (sterične interakcije).

    V čem se razlikujejo od drugih vezi (npr. vodikovih)

    Van der Waalsove sile so običajno šibkejše od:

  • kovalentnih vezi (več sto kJ/mol),
  • ionskih interakcij (deset do sto kJ/mol),
  • vodikovih vezi (približno 10–40 kJ/mol, odvisno od primera).

    • Vodikova vez se pogosto obravnava ločeno, ker vključuje specifično močnejšo usmerjeno interakcijo (proton med elektronegativnimi atomi). Kljub temu imajo van der Waalsove sile v kombinaciji z vodikovimi vezmi velik vpliv na strukturo in stabilnost molekul (npr. v beljakovinah in nukleinskih kislinah).

    Pomen v kemiji, biologiji in tehnologiji

    Van der Waalsove sile igrajo ključno vlogo v številnih pojavih:

  • kondenzacija in utekočinjanje plemenitih plinov (disperzijske sile omogočijo, da se He, Ne, Ar itd. utekočinijo pri nizkih temperaturah),
  • topnost organskih snovi in relativne vreliščne temperature (večje molekule in bolj polarizabilne snovi imajo močnejše disperzijske sile in višje točke vrelišča),
  • struktura in zlaganje biomolekul — π–π stikanje in stiske med aromatskimi obroči, viktalen prispevek k prepogibanju beljakovin in zlaganju lipidnih dvoslojev),
  • lepilo in trenje na nano- in makroskopski ravni (npr. gecko — stopala se oprimejo površin z veliko majhnimi vlakni, kjer vdW sile omogočijo močno lepljenje),
  • adsorpcija na površine, delovanje katalizatorjev, delovanje v nanotehnoloških strukturah in v materialih kot so 2D heterostrukture, kjer plasti držijo skupaj van der Waalsove interakcije.

    • Merjenje in modeliranje

    Van der Waalsove sile se preučujejo z eksperimentalnimi metodami, kot so atomsko-sila mikroskopija (AFM), kalorimetrija, spektroskopija in analize točk vrenja/stopinj taljenja. V računalniških simulacijah se za opis teh interakcij uporabljajo empirijski potenciali in kvantno-kemijske metode (DFT z izboljšavami za disperzijo).

    Praktični primeri

  • Razlaga relativnih vrst vrenja alkanov: daljši alkani imajo večje disperzijske interakcije in s tem višje točke vrelišča.
  • Lepljenje prahu in fine delce — vdW sile povzročajo agregacijo delcev v aerosolu ali farmacevtskih prahih.
  • Interakcije med plasti grafena in drugimi 2D materiali — van der Waals heterostrukture so pomembne za elektroniko in optoelektroniko.

    • Zaključek

    Van der Waalsove sile so šibke, a univerzalne interakcije, ki vplivajo na veliko kemijskih, bioloških in fizikalnih lastnosti snovi. Čeprav posamezna interakcija pogosto prispeva le majhno energijo, je njihov kumulativen vpliv pogosto ključen za stabilnost in vedenje molekul, materialov in površin.

    Gekoni se lahko zaradi van der Waalsovih sil prilepijo na stene in strope.Zoom
    Gekoni se lahko zaradi van der Waalsovih sil prilepijo na stene in strope.

    Vprašanja in odgovori

    V: Kaj je van der Waalsova sila?


    O: Van der Waalsova sila je vrsta medmolekulske sile, ki privlači molekule skupaj. Je najšibkejša vrsta medmolekulske sile.

    V: Kdo je bil Johannes Diderik van der Waals?


    O: Johannes Diderik van der Waals je bil nizozemski znanstvenik, ki je živel med letoma 1837 in 1923, po njem pa je bila poimenovana van der Waalsova sila.

    V: Kaj so delni naboji?


    O: Delni naboji so majhne razlike v naboju med enim in drugim koncem molekule ali iona, ki nastanejo, ko elektroni premaknejo svoje orbite kot odziv drug na drugega. Opisujemo jih s spremenljivkama δ- ali δ+.

    V: Kako se Van der Wallsova sila primerja z drugimi silami?


    O: Van der Wallsova sila je šibkejša od kovalentnih vezi in običajno šibkejša od vodikovih vezi, vendar ima še vedno pomembno vlogo na številnih področjih, kot so kemija, encimi, znanost o polimerih, nanotehnologija, znanost o površinah in fizika kondenzirane snovi.

    V: Katere lastnosti Van der Wallsove sile določajo organske spojine?


    O: Van der Wallsove sile določajo številne lastnosti organskih spojin, vključno z njihovo sposobnostjo raztapljanja.

    V: Kaj pomeni "supramolekularno"?


    O: Supramolekularne se nanašajo na interakcije med molekulami v večjem obsegu, kot so interakcije med posameznimi atomi ali molekulami.


    Iskati
    AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3