אנו מסבירים מהם כוחות ואן דר ואלס ובאילו מקרים הם באים לידי ביטוי. כמו כן, מדוע יש להם שם כזה והמאפיינים שלהם.
מהם כוחות ואן דר ואלס?
זה ידוע בתור כוחות ואן דר ואלס או אינטראקציות ואן דר ואלס לסוג מסוים של כוחות בין מולקולריים מושכים או דוחים, שונים מאלה היוצרים קשרים אטומיים (יונית, מַתַכתִי אוֹ קוולנטי סוג הסריג) או המשיכה האלקטרוסטטית ביניהם יונים ואחרים מולקולות.
לפני שמזכירים את הסוגים השונים של כוחות ואן דר ואלס, חשוב להבין מהי קוטביות כימית. קוטביות כימית היא תכונה של מולקולות הנוטות להפריד מטענים חשמליים במבנה שלהן.זהו תכונה הקשורה קשר הדוק לכוחות בין-מולקולריים (כגון אלה של ואן דר ואלס), עם ה מְסִיסוּת ועם הנקודות של היתוך י רְתִיחָה. בהתאם לקוטביות, ניתן לסווג את המולקולות ל:
- מולקולות קוטביות. הם נוצרים על ידי אטומים עם אלקטרושליליות שונה מאוד. האטום בעל האלקטרושליליות הגבוהה ביותר מושך אלקטרונים של הקשר ונשאר עם צפיפות מטען שלילית עליו. מצד שני, לאטום בעל האלקטרושליליות נמוכה יותר תהיה צפיפות מטען חיובית עליו. חלוקה זו של מטענים תוביל לבסוף להיווצרות דיפול (מערכת של שני מטענים בסימן הפוך ובגודל שווה).
- מולקולות לא קוטביות. הם מורכבים מאטומים בעלי אלקטרושליליות שווה, כך שכל האטומים מושכים את האלקטרונים של הקשר באותו אופן.
גורם שקובע גם את הקוטביות של מולקולה הוא סימטריה מולקולרית. ישנן מולקולות המורכבות מאטומים בעלי אלקטרושליליות שונה, אך אינן קוטביות. זה קורה מכיוון שכאשר מתווספות צפיפות המטען השונות של חלקי המולקולה, הן מתבטלות ומביאות לרגע דיפול אפס.
אז, הכוחות של ואן דר ואלס באים לידי ביטוי בשלוש דרכים מיוחדות:
- כוחות משיכה של Keesom (אינטראקציות דיפול-דיפול). הם אינטראקציות בין מולקולות קוטביות, כלומר מקוטבות לצמיתות. לפיכך, למולקולות אלו יש קוטב חיובי (עם צפיפות מטען חיובית 𝛅 +) וקוטב שלילי (עם צפיפות מטען שלילית 𝛅–), והן מכוונות כך שהקוטב החיובי מתקרב לקוטב השלילי.
- Debye כוחות משיכה (אינטראקציות דיפול קבועות הנגרמות על ידי דיפול). הם מתרחשים בין מולקולה קוטבית למולקולה אפולרית, אבל זה מציג קוטביות מושרה. בסוג זה של אינטראקציה, הדיפול משרה דיפול חולף במולקולה האפולרית.
- כוחות פיזור לונדון (דיפול המושרה על ידי דיפול). הם אינטראקציות המתרחשות בין מולקולות אפולריות. תנועת האלקטרונים במולקולות אלו גורמת לדיפולים חולפים, מה שגורם למשיכה מסוימת ביניהם. הם אינטראקציות חלשות מאוד.
כל הכוחות הבין-מולקולריים הללו ידועים ככוחות ואן דר ואלס, שם שעושה כבוד לפיזיקאי ההולנדי יוהנס דידריך ואן דר ואלס (1837-1923), הראשון שהציע את השפעותיהם במשוואות המצב של גז (הידוע בשם משוואת ואן דר ואלס) בשנת 1873. על ממצא זה הוענק לו פרס נובל לפיזיקה בשנת 1910.
מאפיינים של כוחות ואן דר ואלס
כוחות ואן דר ואלס גדלים עם אורך הקצה הלא קוטבי של חומר.
כוחות ואן דר ואלס חלשים בדרך כלל השוואה עם ה קישורים כימיים רגילים, מה שלא מונע מהם להיות בסיסיים לתחומים שונים של גוּפָנִי, ה ביולוגיה והנדסה. בזכותם רבים תרכובות כימיות יכול להתפרש.
כוחותיו של ואן דר ואלס גדלים עם ה אורך של הקצה הלא קוטבי של א חומר, מכיוון שהם נגרמים על ידי מתאמים בין קיטובים משתנים בין אטומים, מולקולות או משטחים קרובים, תוצאה של דינמיקה קוונטית.
הם מראים אניזוטרופיה, כלומר, התכונות שלהם משתנות בהתאם לכיוון המולקולות: זה תלוי לעתים קרובות אם הן מושכות או דוחות.
כוחות אלו הם החלשים ביותר המתרחשים בין מולקולות ב- טֶבַע: נדרשים רק 0.1 עד 35 קילו ג'ל/מול של אנרגיה כדי להתגבר עליהם. עם זאת, הם חיוניים להיווצרות של חֶלְבּוֹן.