Van der Waals jėgos: apibrėžimas, rūšys ir reikšmė chemijoje
Sužinokite, kas yra Van der Waals jėgos, jų rūšys ir reikšmė chemijoje — nuo molekulių sąveikų iki medžiagų savybių ir praktinių taikymų.
Van der Waals jėgos chemijoje yra tarpmolekulinių jėgų rūšis. Tarpmolekulinės jėgos yra palyginti silpnos jėgos, kurios sulaiko molekules. Van der Waals jėgos dažnai laikomos silpniausiomis tarpmolekulinėmis jėgomis, tačiau jos atlieka esminį vaidmenį daugelyje procesų. Šios jėgos pavadintos olandų mokslininko Johaneso Dideriko van der Waals (Johannes Diderik van der Waals, 1837–1923) vardu.
Elektronai, turintys neigiamą krūvį, juda aplink atomų branduolius ir taip sukuria laikinus arba pastovius molekulių dipolius. Dėl elektronų pasiskirstymo molekulės vienas galas gali turėti šiek tiek didesnį neigiamą arba teigiamą krūvį — tai vadinama daliniais krūviais (δ− arba δ+). Tokie daliniai krūviai lemia trauką tarp kaimyninių molekulių ir yra Van der Waals jėgų kilmė.
Šis terminas kartais vartojamas laisvai kaip visų tarpmolekulinių jėgų sinonimas. Nors Van der Waals jėgos yra silpnesnės už tipiškus kovalentinius ryšius, jos yra svarbios viršmolekulinėje chemijoje, fermentų, polimerų, nanotechnologijų, paviršių ir kondensuotosios medžiagos fizikoje. Van der Waals sąveikos lemia daug organinių junginių savybių, įskaitant jų tirpumą, virimo ir lydymosi temperatūras, adsorbciją, paviršiaus tempimą ir molekulinių bei makromolekulinių struktūrų stabilumą.
Van der Waals jėgų rūšys
- Disperzinės (Londono) jėgos: kyla dėl momentinių (laikinių) dipolių, susidarančių elektronų judėjimo metu. Jėgos stiprumas didėja su molekulės polarizabilumu (didesnis elektronų kiekis ir „lengviau“ deformuojamas elektronų debesėlis). Disperzinės jėgos dažnai dominuoja mažose, nepolinėse molekulėse bei garų kondensacijoje.
- Indukuotos dipolių (Debye) jėgos: kai pastovus dipolis poliarinės molekulės indukuoja dipolį nepoliarinėje molekulėje ar atome. Tai šiek tiek stipresnė sąveika nei vien tik momentinis dipolis–dipolis.
- Pastovių dipolių orientacinės (Keesom) sąveikos: susidaro tarp molekulių, turinčių pastovius dipolius. Priklausomai nuo molekulių orientacijos, traukos ar atstūmimo jėgos gali skirtis — vidutiniškai jėga sumažėja gana greitai didėjant atstumui ir yra jautri temperatūrai.
- Vandeniliniai ryšiai: nors kartais vandenilinis ryšys išskiriamas kaip atskira rūšis (H prijungtas prie labai elektronegatyvaus atomo, pvz., F, O, N), jį galima laikyti stipriau išreikšta dipolio-dipolio forma, turinčia dalinį kovalentinį pobūdį. Vandeniliniai ryšiai yra stipresni už tipines Van der Waals sąveikas, bet silpnesni už kovalentinius ar joninius ryšius.
Fizikinės savybės ir mastelis
Van der Waals sąveikos paprastai yra trumpa rango ir labai priklauso nuo atstumo. Disperzijos potencialas dažnai aprašomas kaip proporcingas −C6/r6 (C6 yra konstanta, priklausanti iš abiejų sąveikaujančių dalelių polarizabilumo), t. y. jis greitai silpsta didėjant atstumui. Tipinės energijos vienam sąveikos centrui būna nuo kelių kJ·mol−1 iki dešimčių kJ·mol−1 (vandeniliniams ryšiams gali būti ~10–40 kJ·mol−1), o pavienės disperzijos sąveikos dažnai būna žemesnės nei 5 kJ·mol−1. Daug mažų tokių sąveikų kartu gali suformuoti reikšmingą bendrą stabilumą (pvz., baltymų užsilenkimui arba DNR bazinių porų stabiliam sutvėrimui svarbios dispersinės sąveikos).
Praktinė reikšmė
- Skysčių ir dujų fazinių pereinčių paaiškinimas (pvz., šiltnamio dujų kondensacija, inertinių dujų skystimas) — dispersinės jėgos leidžia nepolinėms molekulėms kondensuotis.
- Organinių medžiagų tirpumas: poliarūs tirpikliai geriau tirpina polarius solutus dėl dipolio-dipolio sąveikų; nepolariems solutams svarbios dispersinės sąveikos.
- Biologinės struktūros: baltymų ir nukleorūgščių struktūra bei lipidinių membranų susidarymas stipriai priklauso nuo Van der Waals sąveikų ir vandenilinių ryšių.
- Adhezija ir paviršiaus mokslas: klijavimasis, paviršių aktyvumas, kapiliarinės savybės ir nanotechnologijų prietaisų stabilumas.
- Medžiagų moksle: polimerų savybės, kristalografija, katalizė ir paviršių adsorbcija dažnai yra nulemti Van der Waals sąveikų.
Santrauka
Van der Waals jėgos apima kelias tarpmolekulines sąveikas — nuo trumpalaikių dispersinių jėgų iki pastovaus dipolio sąveikų ir vandenilinių ryšių. Nors atskira sąveika gali būti silpna, jų suma ir įtaka per didelį molekulių skaičių daro jas esminėmis cheminėms ir fizikinėms savybėms bei technologinėms taikymo sritims.
Gekonai gali prilipti prie sienų ir lubų dėl van der Valso jėgų.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra van der Valso jėga?
A: Van der Valso jėga yra tarpmolekulinės jėgos rūšis, kuri traukia molekules viena prie kitos. Tai silpniausia tarpmolekulinės jėgos rūšis.
K: Kas buvo Johannesas Diderikas van der Waalsas?
A: Johannesas Diderikas van der Waalsas buvo olandų mokslininkas, gyvenęs 1837-1923 m. Jo vardu pavadinta van der Waalso jėga.
K: Kas yra daliniai krūviai?
A: Daliniai krūviai - tai nedideli krūvio skirtumai tarp vieno molekulės ar jono galo ir kito, atsirandantys, kai elektronai keičia savo orbitas, reaguodami vienas į kitą. Jie apibūdinami naudojant kintamuosius δ- arba δ+.
K: Kaip Van der Valso jėga skiriasi nuo kitų jėgų?
A: Van der Valso jėga yra silpnesnė už kovalentinius ryšius ir paprastai silpnesnė už vandenilinius ryšius, tačiau vis tiek atlieka svarbų vaidmenį daugelyje sričių, pavyzdžiui, chemijoje, fermentų, polimerų moksle, nanotechnologijose, moksle apie paviršius ir kondensuotų medžiagų fizikoje.
Klausimas: Kokias savybes Van der Valso jėgos apibrėžia organiniams junginiams?
A.: Van der Vallso jėgos apibrėžia daugelį organinių junginių savybių, įskaitant jų gebėjimą tirpti.
K: Ką reiškia "supramolekulinis"?
A: Supramolekulinė sąveika reiškia didesnio masto sąveiką tarp molekulių nei tik atskirų atomų ar molekulių sąveika tarpusavyje.
Ieškoti