Van der Waals pajėgos: savybės ir komponentai
Molekulės turi energijos, todėl jos visada juda. Taip susidaro elektriniai dipoliai. PASIEKA/SPL, Getty Images
Van der Waals jėgos yra silpnos jėgos, kurios prisideda prie tarpmolekulinės surišimas tarp molekules . Molekulės iš prigimties turi energiją, o jų elektronai visada juda, todėl trumpalaikės elektronų koncentracijos viename ar kitame regione lemia, kad elektrai teigiami molekulės regionai pritraukia kitos molekulės elektronus. Panašiai vienos molekulės neigiamai įkrautas sritis atstumia kitos molekulės neigiamai įkrautos sritys.
Van der Waals jėgos yra patrauklių ir atstumiančių elektrinių jėgų tarp atomų ir molekulių suma. Šios jėgos skiriasi nuo kovalentinio ir joninio cheminio ryšio, nes atsiranda dėl dalelių krūvio tankio svyravimų. Van der Waals pajėgų pavyzdžiai apima vandenilinis ryšys , sklaidos jėgos , ir dipolio-dipolio sąveika.
Pagrindiniai pasiūlymai: Van der Waals pajėgos
- Van der Waals jėgos yra nuo atstumo priklausomos jėgos tarp atomų ir molekulių, nesusijusios su kovalentiniais ar joniniais cheminiais ryšiais.
- Kartais šis terminas vartojamas apimant visas tarpmolekulines jėgas, nors kai kurie mokslininkai įtraukia tik Londono dispersijos jėgą, Debye jėgą ir Keesomo jėgą.
- Van der Waals jėgos yra silpniausios iš cheminių jėgų, tačiau jos vis tiek atlieka svarbų vaidmenį molekulių savybėms ir paviršiaus mokslui.
Van der Waals pajėgų savybės
Tam tikras charakteristikas rodo van der Waals jėgos:
- Jie yra priedai.
- Jie yra silpnesni už joninius arba kovalentinius cheminius ryšius.
- Jie nėra kryptingi.
- Jie veikia tik labai trumpu diapazonu. Sąveika yra didesnė, kai molekulės priartėja.
- Jie nepriklauso nuo temperatūros, išskyrus dipolio ir dipolio sąveiką.
Van der Waals pajėgų komponentai
Van der Waalso pajėgos yra silpniausios tarpmolekulinės jėgos . Jų stiprumas paprastai svyruoja nuo 0,4 kilodžaulio vienam moliui (kJ/mol) iki 4 kJ/mol ir veikia mažesniu nei 0,6 nanometro (nm) atstumu. Kai atstumas mažesnis nei 0,4 nm, grynasis jėgų poveikis yra atstumiantis, nes elektronų debesys atstumia vienas kitą.
Yra keturi pagrindiniai įnašai į van der Waals pajėgas:
- Neigiamas komponentas neleidžia molekulėms subyrėti. Taip yra dėl to, Pauli išskyrimo principas .
- Tarp nuolatinių krūvių atsiranda patraukli arba atstumianti elektrostatinė sąveika, dipoliai , keturpoliai ir daugiapoliai. Ši sąveika vadinama Keesomo sąveika arba Keesom jėga, pavadinta Willemo Hendriko Keesomo vardu.
- Vyksta indukcija arba poliarizacija. Tai patraukli jėga tarp nuolatinio vienos molekulės poliškumo ir kitos molekulės sukelto poliškumo. Ši sąveika vadinama Debye jėga, Peter J.W. Debye.
- Londono dispersijos jėga yra trauka tarp bet kurios molekulių poros dėl momentinės poliarizacijos. Jėga pavadinta Fritzo Londono vardu. Atkreipkite dėmesį, kad net nepolinės molekulės patiria Londono dispersiją.
Van der Waals pajėgos, gekonai ir nariuotakojai
Gekonai, vabzdžiai ir kai kurie vorai savo pėdų pagalvėlėse turi žiedus, leidžiančius lipti ant itin lygių paviršių, tokių kaip stiklas. Tiesą sakant, gekonas gali pakabinti net ant vieno piršto! Mokslininkai pasiūlė keletą šio reiškinio paaiškinimų, tačiau paaiškėjo, kad pagrindinė sukibimo priežastis, daugiau nei van der Waals jėgos ar kapiliarinis veiksmas, yraelektrostatinė jėga.
Tyrėjai, remdamiesi gekonų ir vorų pėdų analize, pagamino sausus klijus ir lipnią juostelę. Lipnumas atsiranda dėl mažyčių velcro tipo plaukelių ir lipidų, esančių ant gekonų pėdų.
Gecko pėdos yra lipnios dėl van der Waals jėgų, elektrostatinių jėgų ir lipidų, esančių ant jų odos. StephanHoeroldas / Getty Images
Tikrasis žmogus-voras
2014 m. Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūra (DARPA) išbandė savo gekonų įkvėptą „Geckskin“ medžiagą, kurios pagrindas yra gekonas pėdų pagalvėlės ir skirtos suteikti kariniam personalui į Žmogų-vorą panašių gebėjimų. 220 svarų sveriantis tyrėjas, nešiojantis papildomus 45 svarus įrankių, sėkmingai įveikė 26 pėdų stiklinę sieną, naudodamas dvi laipiojimo irklas.
Mokslininkai rado būdą, kaip panaudoti van der Waalso jėgas, kad padėtų žmonėms prilipti prie lygių paviršių, tokių kaip stiklas ir sienos. OrangeDukeProductions / Getty Images
Šaltiniai
- Kellar, Autumn ir kt. „Įrodymai apie Van der Waalso sukibimą Gecko Setae“. Nacionalinės mokslų akademijos darbai , t. 99, Nr. 19, 2002, 12252–6. doi:10.1073/pnas.192252799.
- Dzyaloshinskii, I. E. ir kt. „Bendroji Van der Waalso pajėgų teorija“. Sovietų fizika Uspekhi , t. 4, Nr. 2, 1961. doi:10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.
- Israelachvili, J. Tarpmolekulinės ir paviršiaus jėgos . Akademinė leidykla, 1985 m.
- Parsegianas, V. A. Van der Waals pajėgos: vadovas biologams, chemikams, inžinieriams ir fizikai. Cambridge University Press, 2005 m.
- Wolff, J. O., Gorb, S. N. Drėgmės įtaka voro gebėjimui prisitvirtinti Filodromas dispar (Araneae, Philodromidae).“ Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences , t. 279, Nr. 1726, 2011. doi: 10.1098/rspb.2011.0505 .