Сила Ван-дер-Ваальса - Van der Waals force

Поток дождевой воды из навеса. Среди сил, управляющих образованием капель: сила Ван-дер-Ваальса, поверхностное натяжение , когезия , неустойчивость Плато – Рэлея .
Ткань из микрофибры использует силу лондонской дисперсии для удаления грязи без царапин.

В молекулярной физике , то ван - дер - Ваальса , названный в честь голландского физика Ван-дер-Ваальс , это расстояние в зависимости от взаимодействия между атомами или молекулами . В отличие от ионных или ковалентных связей , это притяжение не является результатом химической электронной связи; они сравнительно слабы и поэтому более восприимчивы к нарушениям. Сила Ван-дер-Ваальса быстро исчезает на больших расстояниях между взаимодействующими молекулами.

Сила Ван-дер-Ваальса играет фундаментальную роль в таких разнообразных областях, как супрамолекулярная химия , структурная биология , наука о полимерах , нанотехнологии , наука о поверхности и физика конденсированного состояния . Он также лежит в основе многих свойств органических соединений и твердых веществ , включая их растворимость в полярных и неполярных средах.

Если никакой другой силы нет, расстояние между атомами, на котором сила становится отталкивающей, а не притягивающей, когда атомы приближаются друг к другу, называется расстоянием контакта Ван-дер-Ваальса ; это явление является результатом взаимного отталкивания электронных облаков атомов . Сила Ван-дер-Ваальса имеет то же происхождение, что и эффект Казимира , который возникает из-за квантового взаимодействия с нулевым полем .

Силы Ван-дер-Ваальса обычно описываются как комбинация лондонских дисперсионных сил между «мгновенно индуцированными диполями », сил Дебая между постоянными диполями и индуцированными диполями и силы Кизома между постоянными молекулярными диполями, чьи вращательные ориентации динамически усредняются во времени.

Определение

Силы Ван-дер-Ваальса включают притяжение и отталкивание между атомами, молекулами и поверхностями, а также другие межмолекулярные силы. Они отличаются от ковалентных и ионных связей тем, что они вызваны корреляциями в флуктуирующих поляризациях соседних частиц (следствие квантовой динамики ).

Несмотря на то, что они являются самыми слабыми из слабых химических взаимодействий, с прочностью в пределах от 0,4 до 4 кДж / моль (от 4 до 40 мэВ на связь), они все же могут выдерживать интегральную структурную нагрузку, когда присутствует множество таких взаимодействий.

Сила возникает в результате кратковременного сдвига электронной плотности. В частности, электронная плотность может временно более сильно сместиться в одну сторону от ядра. Это генерирует кратковременный заряд, которым соседний атом может либо притягиваться, либо отталкиваться. Когда межатомное расстояние между двумя атомами больше 0,6 нм, сила недостаточно велика, чтобы ее можно было наблюдать. Точно так же, когда межатомное расстояние меньше 0,4 нм, сила становится отталкивающей.

Межмолекулярные силы вносят четыре основных вклада:

  1. Отталкивающий компонент, являющийся результатом принципа исключения Паули, который предотвращает коллапс молекул.
  2. Притягивающие или отталкивающие электростатические взаимодействия между постоянными зарядами (в случае молекулярных ионов), диполями (в случае молекул без центра инверсии), квадруполями (все молекулы с симметрией ниже кубической) и в целом между постоянными мультиполями . Электростатическое взаимодействие иногда называют взаимодействием Кизома или силой Кисома в честь Виллема Хендрика Кисома .
  3. Индукция (также известная как поляризация ), которая представляет собой притягивающее взаимодействие между постоянным мультиполем на одной молекуле и индуцированным мультиполем на другой. Это взаимодействие иногда называют силой Дебая в честь Питера Дж . В. Дебая .
  4. Дисперсия (обычно называемая лондонскими дисперсионными взаимодействиями в честь Фрица Лондона ), которая представляет собой притягивающее взаимодействие между любой парой молекул, включая неполярные атомы, возникающее в результате взаимодействий мгновенных мультиполей.

Возвращаясь к номенклатуре, разные тексты относятся к разным вещам, используя термин «сила Ван-дер-Ваальса». В некоторых текстах сила Ван-дер-Ваальса описывается как совокупность сил (включая отталкивание); другие означают все силы притяжения (а затем иногда выделяют Ван-дер-Ваальса-Кизома, Ван-дер-Ваальса-Дебая и Ван-дер-Ваальса-Лондона).

Все межмолекулярные / ван-дер-ваальсовые силы анизотропны (кроме сил между двумя атомами благородного газа), что означает, что они зависят от относительной ориентации молекул. Индукционные и дисперсионные взаимодействия всегда привлекательны, независимо от ориентации, но электростатическое взаимодействие меняет знак при вращении молекул. То есть электростатическая сила может быть притягивающей или отталкивающей, в зависимости от взаимной ориентации молекул. Когда молекулы находятся в тепловом движении, как в газовой, так и в жидкой фазах, электростатическая сила в значительной степени усредняется, потому что молекулы термически вращаются и, таким образом, исследуют как отталкивающую, так и притягивающую части электростатической силы. Иногда этот эффект выражается утверждением, что «случайное тепловое движение при комнатной температуре обычно может преодолеть или нарушить их» (что относится к электростатической составляющей силы Ван-дер-Ваальса). Ясно, что эффект теплового усреднения гораздо менее выражен для сил индукции притяжения и дисперсионных сил.

Потенциал Леннард-Джонса часто используется в качестве приближенной модели для изотропной части в общей сложности (отталкивания плюс притяжение) ван - дер - ваальсовых сил в зависимости от расстояния.

Силы Ван-дер-Ваальса ответственны за определенные случаи уширения под давлением (уширение Ван-дер-Ваальса ) спектральных линий и образования ван-дер-ваальсовых молекул . Силы Лондона – Ван-дер-Ваальса связаны с эффектом Казимира для диэлектрических сред, причем первые являются микроскопическим описанием второго объемного свойства. Первые подробные расчеты этого были сделаны в 1955 г. Е. М. Лифшицем . Также была разработана более общая теория сил Ван-дер-Ваальса.

Основными характеристиками сил Ван-дер-Ваальса являются:

  • Они слабее обычных ковалентных и ионных связей.
  • Силы Ван-дер-Ваальса аддитивны и не могут быть насыщены.
  • У них нет характеристики направленности.
  • Все они являются короткодействующими силами, и поэтому необходимо учитывать только взаимодействия между ближайшими частицами (а не всеми частицами). Притяжение Ван-дер-Ваальса тем больше, чем ближе молекулы.
  • Силы Ван-дер-Ваальса не зависят от температуры, за исключением диполь-дипольных взаимодействий.

В низкомолекулярных спиртах свойства их полярной гидроксильной группы по связыванию водорода доминируют над другими более слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. В спиртах с более высокой молекулярной массой свойства неполярной углеводородной цепи (цепей) доминируют и определяют их растворимость.

Лондонская дисперсионная сила

Лондонские дисперсионные силы, названные в честь немецко-американского физика Фрица Лондона , представляют собой слабые межмолекулярные силы , возникающие из взаимодействующих сил между мгновенными мультиполями в молекулах без постоянных мультипольных моментов . Внутри органических молекул и между ними множество контактов может привести к большему вкладу дисперсионного притяжения, особенно в присутствии гетероатомов. Лондонские дисперсионные силы также известны как « дисперсионные силы», «лондонские силы» или «мгновенные дипольные дипольные силы». Сила лондонских дисперсионных сил пропорциональна поляризуемости молекулы, которая, в свою очередь, зависит от общего числа электронов и площади, по которой они распределены. Углеводороды демонстрируют небольшой вклад в дисперсию, присутствие гетероатомов приводит к увеличению сил LD в зависимости от их поляризуемости, например, в последовательности RI> RBr> RCl> RF. В отсутствие растворителей слабополяризуемые углеводороды образуют кристаллы за счет дисперсионных сил; их теплота сублимации является мерой дисперсионного взаимодействия.

Силы Ван-дер-Ваальса между макроскопическими объектами

Для макроскопических тел с известными объемами и количеством атомов или молекул в единице объема общая сила Ван-дер-Ваальса часто вычисляется на основе «микроскопической теории» как сумма по всем взаимодействующим парам. Это необходимо для интегрирования по всему объему объекта, что делает расчет зависимым от формы объектов. Например, энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия между сферическими телами с радиусами R 1 и R 2 и с гладкими поверхностями была аппроксимирована в 1937 году Хамакером (используя в качестве отправной точки знаменитое уравнение Лондона 1937 года для энергии дисперсионного взаимодействия между атомами / молекулами) следующим образом: :

 

 

 

 

( 1 )

где A - коэффициент Гамакера , который является константой (~ 10 −19 - 10 −20 Дж), которая зависит от свойств материала (он может быть положительным или отрицательным по знаку в зависимости от промежуточной среды), а z - центр межцентровое расстояние; т.е. сумма R 1 , R 2 и R (расстояние между поверхностями): .

Ван - дер - ваальсовых сил между двумя сферами постоянного радиуса ( R 1 и R 2 , рассматриваются в качестве параметров) является функцией разделения , поскольку сила , действующая на объект является отрицательной производной от функции потенциальной энергии, . Это дает:

 

 

 

 

( 2 )

В пределе сближения сферы достаточно велики по сравнению с расстоянием между ними; то есть, или , так что уравнение (1) для функции потенциальной энергии упрощается до:

 

 

 

 

( 3 )

с силой:

 

 

 

 

( 4 )

Силы Ван-дер-Ваальса между объектами с другой геометрией, использующие модель Хамакера, были опубликованы в литературе.

Из приведенного выше выражения видно, что сила Ван-дер-Ваальса уменьшается с уменьшением размеров тел (R). Тем не менее, сила инерционных сил, таких как сила тяжести и сопротивление / подъемная сила, уменьшаются в большей степени. Следовательно, силы Ван-дер-Ваальса становятся доминирующими для скоплений очень мелких частиц, таких как очень мелкозернистые сухие порошки (в которых отсутствуют капиллярные силы), даже если сила притяжения меньше по величине, чем для более крупных частиц то же самое вещество. Такие порошки называются когезионными, что означает, что они не так легко псевдоожижены или транспортируются пневматически, как их более крупнозернистые аналоги. Обычно свободный поток происходит с частицами размером более примерно 250 мкм.

Сила адгезии Ван-дер-Ваальса также зависит от топографии поверхности. Если на поверхности есть неровности или выступы, которые приводят к большей общей площади контакта между двумя частицами или между частицей и стенкой, это увеличивает силу притяжения Ван-дер-Ваальса, а также тенденцию к механическому сцеплению.

Микроскопическая теория предполагает попарную аддитивность. Он пренебрегает взаимодействием многих тел и замедлением . Более строгий подход, учитывающий эти эффекты, названный « макроскопической теорией », был разработан Лифшицем в 1956 году. В 1970 году Лангбейн вывел гораздо более громоздкое «точное» выражение для сферических тел в рамках теории Лифшица, тогда как приближение более простой макроскопической модели была сделана Дерягиным еще в 1934 году. Выражения для сил Ван-дер-Ваальса для многих различных геометрий, использующие теорию Лифшица, также были опубликованы.

Использование гекконами и членистоногими

Геккон поднимается по стеклянной поверхности

Способность гекконов, которые могут висеть на стеклянной поверхности, используя только один палец ноги, лазать по отвесным поверхностям в течение многих лет в основном приписывалась силам Ван-дер-Ваальса между этими поверхностями и лопатками или микроскопическими выступами, покрывающими волосы. -подобные щетинки на подушечках лап. Более позднее исследование показало, что капиллярная адгезия может играть роль, но эта гипотеза была отвергнута более поздними исследованиями.

Однако недавнее исследование показало, что адгезия геккона к гладким тефлоновым и полидиметилсилоксановым поверхностям в основном определяется электростатическим взаимодействием (вызванным контактной электризацией ), а не Ван-дер-Ваальсом или капиллярными силами.

В 2008 году были предприняты попытки создать сухой клей , использующий этот эффект, а в 2011 году был достигнут успех в создании клейкой ленты на аналогичных основаниях. В 2011 году была опубликована статья, посвященная влиянию как на волосы, похожие на липучки, так и на присутствие липидов в следах геккона.

Среди членистоногих некоторые пауки имеют похожие щетинки на щупальцах или подушечках скопул, что позволяет им карабкаться или висеть вверх ногами на чрезвычайно гладких поверхностях, таких как стекло или фарфор.

В современных технологиях

В мае 2014 года DARPA продемонстрировало последнюю версию своей технологии "Geckskin", поставив 100-килограммового исследователя (с 20 кг записывающего оборудования) на стеклянную стену высотой 8 метров (26 футов), используя только два подъемных весла. Испытания продолжаются, но DARPA надеется, что однажды эта технология станет доступной для использования в военных целях, дав солдатам способности, подобные Человеку-пауку, в городских боях.

Смотрите также

Папапишу-Lab-icon-6.svg Химический портал Биологический порталIssoria lathonia.jpg 

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки