- Międzymolekularne oddziaływania elektryczne
- Oddziaływanie między stałymi dipolami
- Interakcja między stałym dipolem a dipolem indukowanym
- Siły Londynu lub rozproszenie
- Radia Van der Waalsa
- Siły i energia oddziaływania elektrycznego między atomami i między cząsteczkami
- Bibliografia
Siła Van der Waalsa to międzycząsteczkowe siły elektryczne o charakterze elektrycznym, które mogą być atrakcyjne lub odpychające. Występuje interakcja między powierzchniami cząsteczek lub atomów, różniąca się w istocie od wiązań jonowych, kowalencyjnych i metalicznych, które tworzą się wewnątrz cząsteczek.
Chociaż są słabe, siły te są w stanie przyciągać cząsteczki gazu; także gazów skroplonych i zestalonych oraz wszystkich cieczy i ciał stałych organicznych. Johannes Van der Waals (1873) był tym, który opracował teorię wyjaśniającą zachowanie rzeczywistych gazów.
W tak zwanym równaniu Van der Waalsa dla gazów rzeczywistych - (P + an 2 / V 2 ) (V - nb)) = nRT- wprowadza się dwie stałe: stałą b (czyli objętość zajmowaną przez cząsteczki gas) i „a”, które jest stałą empiryczną.
Stała „a” koryguje odchylenie od oczekiwanego zachowania idealnych gazów w niskich temperaturach, dokładnie tam, gdzie wyrażana jest siła przyciągania między cząsteczkami gazu. Zdolność atomu do polaryzacji w układzie okresowym wzrasta od góry do dołu grupy i od prawej do lewej w okresie.
Wraz ze wzrostem liczby atomowej - a tym samym liczby elektronów - te, które znajdują się w zewnętrznych powłokach, łatwiej się przemieszczają, tworząc elementy polarne.
Międzymolekularne oddziaływania elektryczne
Oddziaływanie między stałymi dipolami
Istnieją cząsteczki obojętne elektrycznie, które są stałymi dipolami. Wynika to z zakłócenia w dystrybucji elektronów, które powoduje przestrzenne oddzielenie dodatnich i ujemnych ładunków w kierunku końców cząsteczki, tworząc dipol (tak jakby był magnesem).
Woda składa się z 2 atomów wodoru na jednym końcu cząsteczki i atomu tlenu na drugim końcu. Tlen ma większe powinowactwo do elektronów niż wodór i przyciąga je.
Powoduje to przemieszczenie elektronów w kierunku tlenu, pozostawiając ten ładunek ujemny, a wodór dodatnio.
Ujemny ładunek cząsteczki wody może oddziaływać elektrostatycznie z dodatnim ładunkiem innej cząsteczki wody, powodując przyciąganie elektryczne. Tak więc ten rodzaj oddziaływania elektrostatycznego nazywany jest siłami Keesoma.
Interakcja między stałym dipolem a dipolem indukowanym
Stały dipol wykazuje tak zwany moment dipolowy (µ). Wielkość momentu dipolowego podaje wyrażenie matematyczne:
µ = qx
q = ładunek elektryczny.
x = odległość przestrzenna między biegunami.
Moment dipolowy to wektor, który zgodnie z konwencją jest reprezentowany zorientowany od bieguna ujemnego do bieguna dodatniego. Wielkość µ boli wyrażać w głębi (3,34 × 10 -30 cm
Stały dipol może oddziaływać z obojętną cząsteczką, powodując zmianę jej dystrybucji elektronowej, co powoduje indukowany dipol w tej cząsteczce.
Stały dipol i indukowany dipol mogą oddziaływać elektrycznie, wytwarzając siłę elektryczną. Ten rodzaj interakcji nazywany jest indukcją, a działające na nią siły nazywane są siłami Debye'a.
Siły Londynu lub rozproszenie
Naturę tych sił przyciągających wyjaśnia mechanika kwantowa. Londyn postulował, że w jednej chwili w elektrycznie obojętnych cząsteczkach środek ujemnych ładunków elektronów i środek dodatnich ładunków jąder może się nie pokrywać.
Zatem fluktuacja gęstości elektronów pozwala cząsteczkom zachowywać się jak tymczasowe dipole.
Nie jest to samo w sobie wyjaśnieniem dla sił przyciągania, ale tymczasowe dipole mogą wywoływać odpowiednio wyrównaną polaryzację sąsiednich cząsteczek, powodując generowanie siły przyciągania. Siły przyciągania generowane przez fluktuacje elektroniczne nazywane są siłami londyńskimi lub rozproszeniem.
Siły Van der Waalsa wykazują anizotropię, dlatego też wpływa na nie orientacja cząsteczek. Jednak interakcje typu dyspersyjnego są zawsze przeważnie atrakcyjne.
Siły londyńskie stają się silniejsze wraz ze wzrostem rozmiaru cząsteczek lub atomów.
W przypadku halogenów cząsteczki o niskiej liczbie atomowej F 2 i Cl 2 to gazy. Br 2 o najwyższej liczbie atomowej jest cieczą, a I 2 , halogen o najwyższej liczbie atomowej, jest ciałem stałym w temperaturze pokojowej.
Wraz ze wzrostem liczby atomowej zwiększa się liczba obecnych elektronów, co sprzyja polaryzacji atomów, a tym samym interakcji między nimi. To określa stan fizyczny halogenów.
Radia Van der Waalsa
Interakcje między cząsteczkami i między atomami mogą być atrakcyjne lub odpychające, w zależności od krytycznej odległości między ich centrami, która nazywa się r v .
Przy odległościach między cząsteczkami lub atomami większych niż r v , przyciąganie między jądrem jednej cząsteczki a elektronami drugiej przeważa nad odpychaniem między jądrem a elektronami dwóch cząsteczek.
W opisanym przypadku oddziaływanie jest atrakcyjne, ale co się stanie, jeśli cząsteczki zbliżą się w odległości między ich środkami mniejszej niż rv? Wówczas siła odpychająca przeważa nad atrakcyjną, która przeciwstawia się bliższemu zbliżaniu się atomów.
Wartość r v jest określona przez tak zwane promienie Van der Waalsa (R). Dla sferycznych i identycznych cząsteczek r v jest równe 2R. Dla dwóch różnych cząsteczek o promieniach R 1 i R 2 : r v jest równe R 1 + R 2 . Wartości promieni Van der Waalsa podano w tabeli 1.
Wartość podana w tabeli 1 wskazuje promień Van der Waalsa wynoszący 0,12 nm ( 10-9 m) dla wodoru. Zatem wartość r v dla tego atomu wynosi 0,24 nm. Dla wartości r v mniejszej niż 0,24 nm wystąpi odpychanie między atomami wodoru.
Tabela 1. Promienie Van der Waalsa niektórych atomów i grup atomów.
Siły i energia oddziaływania elektrycznego między atomami i między cząsteczkami
Siła między parą ładunków q 1 i q 2 , oddzielonych w próżni na odległość r, jest określona przez prawo Coulomba.
F = k. q 1 .q 2 / r 2
W tym wyrażeniu k jest stałą, której wartość zależy od użytych jednostek. Jeśli wartość siły - określona przez zastosowanie prawa Coulomba - jest ujemna, oznacza to siłę przyciągania. Wręcz przeciwnie, jeśli wartość podana dla siły jest dodatnia, wskazuje to na siłę odpychania.
Ponieważ cząsteczki zwykle znajdują się w środowisku wodnym, które osłania wywierane siły elektryczne, konieczne jest wprowadzenie terminu stała dielektryczna (ε). Zatem ta stała koryguje wartość podaną dla sił elektrycznych przez zastosowanie prawa Coulomba.
F = kq 1 .q 2 /ε.r 2
Podobnie, energia oddziaływania elektrycznego (U) jest określona przez wyrażenie:
U = k. q 1 .q 2 /ε.r
Bibliografia
- Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (2018). Siły Van der Waalsa. Pobrane 27 maja 2018 z: britannica.com
- Wikipedia. (2017). Siły Van der Waalsa. Pobrane 27 maja 2018 z: es.wikipedia.org
- Kathryn Rashe, Lisa Peterson, Seila Buth, Irene Ly. Siły Van der Waalsa. Pobrane 27 maja 2018 z: chem.libretexts.org
- Morris, JG (1974) A Biologist`s Physical Chemistry. 2 i wydanie. Edward Arnold (wydawcy) Limited.
- Mathews, CK, Van Holde, KE and Ahern, KG (2002) Biochemistry. Trzecia edycja. Addison Wesley Longman, Inc.