Сила Ван-дер-Ваальса

редактировать
остаточные силы притяжения или отталкивания между молекулами или атомными группами, которые не возникают из ковалентных или ионных связей Дождевая вода флюс от навеса. Среди сил, которые управляют образованием капли: сила Ван-дер-Ваальса, поверхностное натяжение, когезия, неустойчивость Плато – Рэлея.

В молекулярной физике, сила Ван-дер-Ваальса, названная в честь голландского ученого Йоханнеса Дидерика ван дер Ваальса, представляет собой зависящее от расстояния взаимодействие между атомами или молекулами. В отличие от ионных или ковалентных связей, эти притяжения не являются результатом химической электронной связи; они относительно 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 самых разных областях, таких 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 молекулярных твердых веществ, включая их растворимость в полярных и неполярных средах.

Если нет другой силы, расстояние между атомами, при котором сила становится отталкивающей, а не притягивающей, когда атомы сближаются, называется расстоянием контакта Ван-дер-Ваальса ; это явление является результатом взаимного отталкивания между атомными электронными облаками. Сила Ван-дер-Ваальса имеет то же происхождение, что и эффект Казимира, возникающий из квантового взаимодействия с полем нулевой точки.

Термин «сила Ван-дер-Ваальса» иногда используется свободно для всех межмолекулярных сил. Термин всегда включает в себя лондонскую дисперсионную силу между мгновенно индуцированными диполями. Иногда его применяют к силе Дебая между постоянным диполем и соответствующим индуцированным диполем или к силе Кизома между постоянными молекулярными диполями.

Содержание

  • 1 Определение
  • 2 Лондонская дисперсионная сила
  • 3 Силы Ван-дер-Ваальса между макроскопическими объектами
  • 4 Использование гекконами и членистоногими
  • 5 В современной технологии
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Далее чтение
  • 9 Внешние ссылки

Определение

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

Будучи самыми слабыми из слабых химических взаимодействий, с прочностью от 0,4 до 4 кДж / моль (от 4 до 40 мэВ на связь), они все же могут выдерживать интегральную структурную нагрузку при наличии множества 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 быть либо притянут, либо отталкивается. Когда межатомное расстояние между двумя атомами больше 0,6 нм, сила недостаточна, чтобы ее можно было наблюдать. Точно так же, когда межатомное расстояние меньше 0,4 нм, сила становится отталкивающей. Переход от притяжения Ван-дер-Ваальса через отталкивание Паули к химической связи, обсуждавшийся Леннард-Джонсом в 1933 году, был обнаружен с помощью атомно-силовой микроскопии в 2019 году Хубером, Бервангером, Полесей, Маньковским, Эбертом и Гиссиблом

Межмолекулярные силы имеют четыре основных вклада:

  1. компонент отталкивания, являющийся результатом принципа исключения Паули, который предотвращает коллапс молекул.
  2. притягивающее или отталкивающее электростатическое взаимодействия между постоянные заряды (в случае молекулярных ионов), диполи (в случае молекул без центра инверсии), квадруполи (все молекулы с симметрией ниже кубической) и в целом между постоянными мультиполями. Электростатическое взаимодействие иногда называют взаимодействием Кизома или силой Кизома после Виллема Хендрика Кизома.
  3. Индукция (также известная как поляризация ), которая представляет собой притягивающее взаимодействие между постоянными мультиполь на одной молекуле и индуцированный мультиполь на другой. Это взаимодействие иногда называют силой Дебая в честь Питера Дж. У. Дебай.
  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 силы / силы Ван-дер-Ваальса являются анизотропными (кроме сил между двумя атомами благородных газов), что означает, что они зависят от относительной ориентации молекул. Индукционное и дисперсионное 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 вокруг комнатной температуры обычно может преодолеть или нарушить их» (что относится к электростатической составляющей силы Ван-дер-Ваальса). Ясно, что эффект термического усреднения гораздо менее выражен для сил индукции и дисперсии притяжения.

Потенциал Леннарда-Джонса часто используется в качестве приближенной модели для изотропной части полной (отталкивание плюс притяжение) силы Ван-дер-Ваальса как функции расстояния.

Силы Ван-дер-Ваальса ответственны за определенные случаи уширения под давлением (уширение Ван-дер-Ваальса ) спектральных линий и образования молекул Ван-дер-Ваальса. Силы Лондона-Ван-дер-Ваальса связаны с эффектом Казимира для диэлектрических сред, первый из которых является микроскопическим описанием второго объемного свойства. Первые подробные вычисления этого были сделаны в 1955 г. Э. М. Лифшиц. Также была разработана более общая теория сил Ван-дер-Ваальса.

Основными характеристиками сил Ван-дер-Ваальса являются:

  • Они слабее, чем обычные ковалентные и ионные связи.
  • Ван. Силы дер Ваальса являются аддитивными и не могут быть насыщены.
  • Они не имеют характеристик направленности.
  • Все они являются короткодействующими силами, и, следовательно, необходимо учитывать только взаимодействия между ближайшими частицами (вместо все частицы). 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 водородных связей их полярных гидроксильная группа доминирует над другими более слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. В спиртах с более высоким молекулярным весом свойства неполярной углеводородной цепи (цепей) доминируют и определяют их растворимость.

Лондонская дисперсионная сила

Лондонская дисперсионная сила, названная в честь немецко-американского физика Фрица Лондона, представляет собой слабые межмолекулярные силы, возникающие в результате взаимодействия силы 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 индуцированные 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 за счет дисперсионных сил образуются кристаллы слабополяризуемых углеводородов; 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 часто вычисляется полная сила Ван-дер-Ваальса на основе «микроскопической теории» как суммы по всем взаимодействующим парам. Это необходимо для интегрирования по общему объему объекта, поэтому расчет зависит от формы объекта. Например, энергия взаимодействия Ван-дер-Ваальса между сферическими телами с радиусами R 1 и R 2 и с гладкими поверхностями была аппроксимирована в 1937 г. Hamaker (с использованием Знаменитое уравнение Лондона 1937 года для дисперсионной энергии взаимодействия между атомами / молекулами в качестве отправной точки) следующим образом:

U (z; R 1, R 2) = - A 6 (2 R 1 R 2 z 2 - (R 1 + R 2) 2 + 2 R 1 R 2 z 2 - (R 1 - R 2) 2 + ln ⁡ [z 2 - (R 1 + R 2) 2 z 2 - (R 1 - R 2) 2]) { \ displaystyle {\ begin {align} U (z; R_ {1}, R_ {2}) = - {\ frac {A} {6}} \ left ({\ frac {2R_ {1} R_ {2}}) {z ^ {2} - (R_ {1} + R_ {2}) ^ {2}}} + {\ frac {2R_ {1} R_ {2}} {z ^ {2} - (R_ {1} -R_ {2}) ^ {2}}} + \ ln \ left [{\ frac {z ^ {2} - (R_ {1} + R_ {2}) ^ {2}} {z ^ {2} - (R_ {1} -R_ {2}) ^ {2}}} \ right] \ right) \ end {align}}}{\ begin {выровнено} U (z; R_ {1}, R_ {2}) = - {\ frac {A} {6}} \ left ({\ frac {2R_ {1} R_ {2}} {z ^ {2} - (R_ {1} + R_ {2}) ^ {2}}} + {\ frac {2R_ {1} R_ {2}} {z ^ {2} - (R_ {1} -R_ {2}) ^ {2}}} + \ ln \ left [{\ frac {z ^ {2} - (R_ {1} + R_ {2}) ^ {2}} {z ^ {2} - (R_ {1} -R_ {2}) ^ {2}}} \ right] \ right) \ end {выравнивается}}

(1)

где A - коэффициент Хамакера, которая является константой (~ 10 - 10 Дж), которая зависит от свойств материала (она может быть положительной или отрицательной по знаку в зависимости от промежуточной среды), а z - межцентровое расстояние; т.е. сумма R 1, R 2 и r (расстояние между поверхностями): z = R 1 + R 2 + r {\ displaystyle \ z = R_ {1} + R_ {2} + r}\ z = R_ {1} + R_ {2} + r .

В пределе близкого сближения сферы достаточно большие по сравнению с расстоянием между ними; т. е. р ≪ R 1 {\ displaystyle \ r \ ll R_ {1}}{\ displaystyle \ r \ ll R_ {1}} или R 2 {\ displaystyle R_ {2}}R _ {{2}} , так что уравнение (1) для функции потенциальной энергии упрощается до:

U (r; R 1, R 2) = - AR 1 R 2 (R 1 + R 2) 6 r {\ displaystyle \ U (r; R_ { 1}, R_ {2}) = - {\ frac {AR_ {1} R_ {2}} {(R_ {1} + R_ {2}) 6r}}}\ U (r; R_ {1}, R_ {2}) = - {\ frac {AR_ {1} R_ {2}} {(R_ {1} + R_ {2}) 6r}}

(2)

Фургон Ваальса сила между двумя сферами постоянного радиуса (R 1 и R 2 рассматриваются как параметры), тогда является функцией разделения, поскольку сила, действующая на объект отрицательная величина производной функции потенциальной энергии, FVW (r) = - ddr U (r) {\ displaystyle \ F_ {VW} (r) = - {\ frac {d} {dr}} U (r)}\ F_ {VW} (r) = - {\ frac {d} {dr}} U (r) . Это дает:

FVW (r) = - AR 1 R 2 (R 1 + R 2) 6 r 2 {\ displaystyle \ F_ {VW} (r) = - {\ frac {AR_ {1} R_ {2) }} {(R_ {1} + R_ {2}) 6r ^ {2}}}}\ F_ {VW} (r) = - {\ frac {AR_ {1} R_ {2}} {(R_ {1} + R_ {2}) 6r ^ {2}}}

(3)

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

Из приведенного выше выражения видно, что сила Ван-дер-Ваальса уменьшается с уменьшением размера 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 такое же 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 парную аддитивность. Он не учитывает взаимодействия многих тел и замедление. Более строгий подход, учитывающий эти эффекты, названный «», был разработан Лифшицем в 1956 году. Лангбейн получил гораздо более громоздкое «точное» выражение в 1970 году для сферических тел в рамках структуры теории Лифшица, тогда как более простое приближение макроскопической модели было сделано 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 лазание по стеклянной поверхности

Способность гекконов - которые могут висеть на стеклянной поверхности, используя только один палец, - лазать на отвесных поверхностях в течение многих лет в основном приписывалось силам Ван-дер-Ваальса между этими поверхностями и лопатками, или микроскопическими выступами, которые покрывают похожие на волосы щетинки на подушечках ног. 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 поверхностям тефлона и PDMS в основном определяется электростатическим взаимодействием. (вызванного контактной электризацией), а не ван-дер-Ваальсовыми или капиллярными силами.

В 2008 году были предприняты попытки создать сухой клей, который использует этот эффект, и в 2011 году был достигнут успех в создании скотч на аналогичных основаниях. В 2011 году была опубликована статья, в которой описывалось влияние как на липучки, так и на наличие липидов в следах гекконов.

Среди членистоногих некоторые пауки имеют похожие щетинки на scopulae или подушечки scopula, позволяющие им лазать 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 однажды сделать эту технологию доступной для использования в военных целях, дав солдатам Человек-паук -подобные способности в городских боях.

См. Также

  • Химический портал
  • значок Биологический портал

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-18 09:24:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте