Ван дер ваальса химическая связь. Силы ван дер ваальса. Классификация ван-дер-ваальсовых сил

10-20 кДж /моль . Этим термином первоначально обозначались все такие силы, в современной науке он обычно применяется к силам, возникающим при поляризации молекул и образовании диполей . Открыты Й. Д. Ван дер Ваальсом в 1869 году .

Вандерваальсовы силы межатомного взаимодействия инертных газов обусловливают возможность существования агрегатных состояний инертных газов (газ , жидкость и твёрдые тела).

К вандерваальсовым силам относятся взаимодействия между диполями (постоянными и наведёнными). Название связано с тем фактом, что эти силы являются причиной поправки на внутреннее давление в уравнении состояния реального газа Ван-дер-Ваальса . Эти взаимодействия, а также водородные связи , определяют формирование пространственной структуры биологических макромолекул.

Вандерваальсовы силы также возникают между частицей (макроскопической частицей или наночастицей) и молекулой и между двумя частицами .

Классификация вандерваальсовых сил

Вандерваальсово взаимодействие состоит из трёх типов слабых электромагнитных взаимодействий:

• Ориентационные силы , диполь-дипольное притяжение. Осуществляется между молекулами, являющимися постоянными диполями. Примером может служить HCl в жидком и твёрдом состоянии. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния между диполями.
• Дисперсионное притяжение (лондоновские силы, дисперсионные силы). Обусловлены взаимодействием между мгновенным и наведённым диполем. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.
• Индукционное притяжение (поляризационное притяжение). Взаимодействие между постоянным диполем и наведённым (индуцированным). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

До сих пор многие авторы исходят из предположения, что вандерваальсовы силы определяют межслоевое взаимодействие в слоистых кристаллах, что противоречит экспериментальным данным: масштабу анизотропии температуры Дебая и, соответственно, масштабу анизотропии решёточного отражения. Исходя из данного ошибочного предположения построены многие двумерные модели, «описывающие» свойства, в частности графита и нитрида бора .

В последнем случае действуют так называемые силы Казимира и Казимира - Лифшица .

Проявления в природе

См. также

Примечания

Литература

• Бараш Ю. С. Силы Ван-дер-Ваальса. - М. : Наука, 1988. - 344 с.
• Каплан И. Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. - М. : Наука, 1982. - 312 с.
• Каплан И. Г. Межмолекулярные взаимодействия. Физическая интерпретация, компьютерные расчёты и модельные потенциал. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 400 с. - ISBN 978-5-94774-939-7 .
• Межмолекулярные взаимодействия; от двухатомных молекул до биополимеров / Пер. с англ. под ред.: Пюльман Б. - М. : Мир, 1981. - 592 с.
• Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. - М. : Наука, 1985. - 400 с.
• Хобза П., Заградник Р. Межмолекулярные комплексы: Роль вандерваальсовых систем в физической химии и биодисциплинах. - М. : Мир, 1989. - 376 с.
• Israelachvili J. Intermolecular and Surface Forces. - London: Academic Press, 1985-2004. - 450 с. - ISBN 0-12-375181-0 .

Ван-дер-Ваальсовы силы - силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10 - 20 кДж/моль. Этим термином первоначально обозначались все такие силы, в современной науке он обычно применяется к силам, возникающим при поляризации молекул и образовании диполей. Открыты Я. Д. ван дер Ваальсом в 1869 году.

Ван-дер-Ваальсовы силы межатомного взаимодействия инертных газов обусловливают возможность существования агрегатных состояний инертных газов (газ, жидкость и твёрдые тела).

К ван-дер-ваальсовым силам относятся взаимодействия между диполями (постоянными и индуцированными). Название связано с тем фактом, что эти силы являются причиной поправки на внутреннее давление в уравнении состояния реального газа Ван-дер-Ваальса. Эти взаимодействия, а также водородные связи, определяют формирование пространственной структуры биологических макромолекул.

Ван-дер-ваальсовы силы также возникают между частицей (макроскопической частицей или наночастицей) и молекулой и между двумя частицами.

• 1 Классификация ван-дер-ваальсовых сил
• 2 Проявления в природе
• 3 См. также
• 4 Примечания
• 5 Литература

Классификация ван-дер-ваальсовых сил

Ван-дер-ваальсовое взаимодействие состоит из трех типов слабых электромагнитных взаимодействий:

• Ориентационные силы , диполь-дипольное притяжение. Осуществляется между молекулами, являющимися постоянными диполями. Примером может служить HCl в жидком и твердом состоянии. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния между диполями.
• Дисперсионное притяжение (лондоновские силы). Взаимодействие между мгновенным и наведенным диполем. Энергия
• Индукционное притяжение. Взаимодействие между постоянным диполем и наведенным (индуцированным). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

До сих пор многие авторы исходят из предположения, что ван-дер-ваальсовые силы определяют межслоевое взаимодействие в слоистых кристаллах, что противоречит экспериментальным данным: масштабу анизотропии температуры Дебая и, соответственно, масштабу анизотропии решёточного отражения. Исходя из данного ошибочного предположения построены многие двумерные модели, «описывающие» свойства, в частности графита и нитрида бора.

В последнем случае действуют так называемые силы Казимира и Казимира-Лифшица.

Проявления в природе

• Сцепление частиц малых астероидов кольца́ Сатурна;
• Способность гекконов взбираться по гладким поверхностям, например, по стеклу.

См. также

• Межмолекулярное взаимодействие
• Межатомное взаимодействие
• Дисперсионные силы

Примечания

1. S.V. Ordin, J. Semiconductors (FTP), 32(9), 924-932, 1998, Normal lattice vibrations and the crystal structure of anisotropic modifications of boron nitride
2. Притягательность малого: Слабые силы имеют значение (RU). Журнал «Популярная механика» (24 февраля 2010). - Небольшие, быстро вращающиеся астероиды неспособны сохранять целость за счет гравитации: слишком они для этого малы, и центробежные силы легко разорвут их. Что же удерживает их целыми?. Проверено 25 февраля 2010. Архивировано из первоисточника 14 февраля 2012.
3. Autumn†, Sitti, Liang et al., Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae, PNAS v. 99 no. 19, 2002 , pp. 12252-12256

Литература

• Бараш Ю. С. Силы Ван-дер-Ваальса. - М.: Наука, 1988. - 344 с.
• Каплан И. Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. - М.: Наука, 1982. - 312 с.
• Каплан И.Г. Межмолекулярные взаимодействия. Физическая интерпретация, компьютерные расчеты и модельные потенциал М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 400 с. ISBN: 978-5-94774-939-7
• Межмолекулярные взаимодействия; от двухатомных молекул до биополимеров / Пер. с англ. под ред.: Пюльман Б. - М.: Мир, 1981. - 592 с.
• Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 400 с.
• Хобза П., Заградник Р. Межмолекулярные комплексы: Роль вандерваальсовых систем в физической химии и биодисциплинах.. - М.: Мир, 1989страниц=376.
• Israelachvili J. Intermolecular and Surface Forces. - London: Academic Press, 1985-2004. - 450 с., ISBN 0-12-375181-0
• Е. М. Лифшиц, И. Е. Дзялошинский, Л. П. Питаевский Общая теория ван-дер-ваальсовых сил // УФН. - 1961. - Т. 73. - № 3. - С. 381-422.

Силы Ван-дер-Ваальса Информацию О

Когда мы выбираем ту или иную модель физического процесса, мы, как я уже говорил, выбираем ту, которая позволяет непротиворечиво объяснять наблюдаемые явления, а еще лучше – предсказывать новые открытия.

В описании атомных эффектов мы используем модель атома, согласно которой электроны вращаются вокруг ядра. Рассмотрим неполярную молекулу. Раз она неполярна, то у нее нет выраженного отрицательного и положительного полюсов, и поэтому она не может так притягиваться к соседним молекулам, как это происходит, например, с молекулами воды. И все же – электроны вращаются, а не стоят на месте! Значит распределение электронов в молекуле не может быть совершенно равномерным – грубо говоря, электроны одного атома поехали влево, а электроны другого – вверх, или еще как-то. В результате неизбежно все-таки должны образовываться перекосы в распределении электрического заряда, то есть даже неполярная молекула все-таки обязана постоянно проявлять свойства легкой полярности! Перекосы в распределении электрического заряда проявляются, естественно, по определенной системе, и в итоге даже неполярная, казалось бы, молекула, все же становится слегка полярной, и в результате этого молекулы выстраиваются в некотором порядке – одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются, и жидкость становится более «слипшейся».

То есть даже между совершенно, казалось бы, неполярными молекулами возникает очень слабое электрическое взаимодействие, которое и называется «силами Ван-дер-Ваальса».

Мы знаем, что сильное «слипание» молекул воды приводит к тому, что вода имеет огромную теплоемкость – огромную по сравнению с некоторой идеальной жидкостью, в которой молекулы совершенно неполярны. Отсюда легко сделать вывод, что и те жидкости, которые состоят из совершенно неполярных, казалось бы, молекул, будут иметь теплоемкость, несколько большую, чем это вытекает из расчетов, в которых мы полагаем молекулы этой жидкости совершенно неполярными. Это должно происходить за счет «наведенной» или, как еще говорят, «индуцированной» полярности, связанной с вращением электронов. Дело за экспериментом, и эксперимент подтверждает предсказание! Тщательное исследование этого вопроса позволяет вычислять закономерности, связывающие величину сил притяжения Ван-дер-Ваальса со структурой молекулы.

Силы Ван-дер-Ваальса очень слабы, и все-таки в микромире даже очень слабые силы могут давать чрезвычайно важные последствия. Силы Ван-дер-Ваальса – еще одна разновидность химических связей.

(Некоторый вклад в существование сил Ван-дер-Ваальса вносит еще и тот эффект, что движущиеся электроны порождают магнитное поле, но эти детали сейчас несущественны).

Действие сил Ван-дер-Ваальса, а также их совокупную мощь можно видеть на таком неожиданном примере, как лапы геккона. Исследования лап гекконов показали, что к стеклам, как и к другим ровным поверхностям, их притягивают именно силы Ван-дер-Ваальса, возникающие между тонкими щетинками лапы и поверхностью. Один квадратный миллиметр лапы геккона содержит около 14000 щетинок, похожих на волоски. Диаметр одного такого волоска – 5 микрон, то есть пять тысячных доли миллиметра (для сравнения толщина человеческого волоса примерно равняется 50 микронам). Но это еще не все - каждая щетинка покрыта 100 – 1000 ворсинками! Длина одной такой ворсинки 0,2 микрона – лишь немного короче длины волн видимого света (0.4-0.8 микрона)!! Конечно, будучи настолько мелкими, эти ворсинки плотно соприкасаются составляющими их молекулами с молекулами поверхности, в результате чего силы Ван-дер-Ваальса и начинают действовать.

Пальцы лап гекконов могут показаться очень гибкими, но на самом деле они просто сгибаются в обратную сторону – не как у людей. Это позволяет им преодолеть силы Ван-дер-Ваальса, отдирая лапы от стекла постепенно, начиная с кончиков. Такое отдирание изменяет угол между миллионами отдельных волосков и поверхностью, ослабляя действие схватывающих сил. Большую часть времени лапы гекконов присасываются не на пределе своих возможностей. Их прилипчивость зависит от шероховатости поверхности, а следовательно и от количества волосков, прикасающихся к ней. Если бы обычный мелкий геккон прислонил каждый волосок своих лап к потолку, он смог бы держать 133 килограмма!

Сила Ван-дер-Ваальса сила межмолекулярного притяжения, имеет три составляющие. Они обладают несколько отличной физической природой, но их потенциал зависит от расстояния между молекулами одинаково – как . Это счастливое обстоятельство позволяет непосредственно сравнивать константы взаимодействия, соответствующие трем составляющим силы Ван-дер-Ваальса, причем по причине их одинаковой зависимости от расстояния, пропорция между компонентами будет сохраняться при различных . Сами же константы при множителе будут отличаться для разных веществ.

В основе всех трех составляющих силы Ван-дер-Ваальса лежит взаимодействие диполей, поэтому напомним две основные формулы.

Энергия диполя помещенного в поле [1 ]:

(2)

Электрическое поле, создаваемое диполем [1 ]:

(3)
где n – единичный вектор в направлении
на диполь из точки, где ищем поле.

Ориентационное взаимодействие (или сила Кизома ) возникает между полярными молекулами, которые сами по себе имеют электрический дипольный момент. В соответствии с (2), (3) энергия взаимодействия двух диполей и на расстоянии

существенно зависит от взаимной ориентации молекул. Здесь – единичный вектор вдоль линии, соединяющей молекулы.

Чтобы обеспечить минимум потенциала, диполи стремятся расположиться в одном направлении вдоль общей оси (рис. 1) . Однако тепловое движение разрушает этот порядок. Для нахождения "результирующего" ориентационного потенциала необходимо провести статистическое усреднение взаимодействия по различной возможной ориентации пары молекул. Заметим, что в силу распределения Гиббса , которое показывает вероятность нахождения системы в состоянии с энергией при температуре , энергетически выгодные положения оказываются предпочтительнее. Поэтому, несмотря на изотропию возможной взаимной ориентации, результат усреднения будет ненулевым.

Рис. 1. Энергия взаимодействия диполей зависит от их взаимной ориентации.
Для нахождения "эффективного" потенциала необходимо провести термодинамическое усреднение
по всем пространственным направлениям диполей.

Усреднение по распределению Гиббса осуществляется по формуле

где в знаменателе для нормировки стоит статистическая сумма, а – параметр интегрирования, который обеспечивает перебор всех возможных состояний системы (взаимных ориентаций пары диполей).

При экспонента раскладывается в ряд:

и энергия ориентационного взаимодействия приближенно равна:

Проведя интегрирование, можно показать, что , и, таким образом, . Согласно (4) можно записать, введя константу :

Индукционное взаимодействие (или сила Дебая ) возникает между полярной и неполярной молекулами. Электрическое поле , создаваемое диполем наводит поляризацию на другую молекулу. Индуцированный момент, вычисленный в первом порядке квантовой теории возмущений, равен где обозначена поляризуемость молекулы.

Рис. 2. Под действием поля полярной молекулы соседняя приобретает
индуцированный дипольный момент.

Тогда потенциал индукционного взаимодействия вычисляется следующим образом:

Таким образом, взаимодействие опять-таки имеет "универсальную" зависимость , но уже по совершенно другой причине и с другой константой.

Следует оговориться, что в жидких и твердых телах поляризуемая молекула испытывает симметричное влияние большого количества соседних молекул, при этом результат их действия сильно компенсирует индукционное взаимодействие. Это приводит к тому, что реальное индукционное взаимодействие:

Дисперсионное взаимодействие (или сила Лондона ) является наиболее распространенным, т.к. в нем участвуют и неполярные молекулы. Этот третий член (1) присутствует всегда и в этом смысле является самым главным.

Рис. 3. Неполярные молекулы за счет квантовой неопределенности обладают "мгновенными"
дипольными моментами, взаимодействие которых возникает во втором порядке теории возмущений.

В системе из неполярных молекул волновая функция электронов такова, что средние значения дипольных моментов в любом состоянии равны нулю . Однако недиагональные матричные элементы нулю уже не равны. И оказывается, что вторая квантовомеханическая поправка к энергии взаимодействия будет уже ненулевой. Она, как известно [2 ], вычисляется по формуле:

где в качестве возмущения выступает (4), а , – энергии системы из двух молекул в каких-то состояниях и .

В некотором смысле, "мгновенные" значения дипольных моментов (при нулевой средней величине) отличны от нуля и взаимодействуют между собой. Причем во втором порядке малости усредненное значение такого "мгновенного" потенциала уже не исчезает, это и есть потенциал дисперсионного взаимодействия.

Поправка (11), как видно, пропорциональна второй степени возмущения . Отсюда видно, что

Постоянную называют константой Гамакера (здесь , – потенциалы ионизации, , – поляризуемости молекул).

Также можно дать классическую интерпретацию. Возникший из-за флуктуаций дипольный момент одной молекулы создает поле, которое в свою очередь поляризует вторую. Ненулевое теперь уже поле второй молекулы поляризует первую. Потенциал в этой своеобразной системы с "положительной обратной связью" рассчитывается аналогично индукционному взаимодействию.

Относительная роль разных видов сил Ван-дер-Ваальса приведена в таблице 1 [3, 4 ].

Табл. 1. Значения поляризуемости, дипольного момента, потенциала ионизации и энергии различных видов слабых взаимодействий между некоторыми атомами и молекулами.

Понятно, что сила определяется как

Проводя оценки для типичных условий АСМ-эксперимента в режиме контакта, получаем для величины ван-дер-ваальсовского притяжения: .

Выводы.

Литература.

1. Сивухин Д.В. Курс общей физики: Электричество. – М.: Наука, 1983. – 687 с.
2. Ландау Л.Д. Квантовая механика: Нерелятивистская теория. – М.: Наука, 1989. – 767 с.
3. Рубин А.Б. Биофизика: Теоретическая биофизика. - М.: Книжный дом Университет, 1999. – 448 с.
4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. – М.: Мир,1979. – 568 с.

Силы связи в молекулах.

Электроны около ядра удерживаются кулоновскими силами притяжения разноименных зарядов. Атом, в целом, электрически нейтрален. Молекулы состоят из атомов. Силы, удерживающие атомы в молекулах тоже являются электрическими, однако возникновение их несколько сложнее. Существует два вида связи атомов в молекулах.

Ионная связь . В некоторых атомах существуют электроны, которые очень слабо связаны с атомом в целом. Эти электроны могут легко потеряться атомом, в результате чего образуются положительные ионы, в других атомах наоборот, электроны сильно связаны с атомом и атом может захватить другой электрон и превратиться в отрицательный ион. Между ионами действуют силы кулоновского притяжения, которые и обеспечивают образование молекул. При сильном сближении ионов образуются силы отталкивания между одноименными зарядами. Молекулы эти называются полярными . Такая связь характерна для полярных молекул.

Ковалентная связь. Рассмотрим два положительных заряда, между которыми находится отрицательный. Заряды по модулю одинаковы. Согласно квантовой механике, в среднем, некоторые электроны при своем движении большую часть времени проводят между ядрами. Эти электроны обобществляются и нельзя сказать, какому атому они принадлежат, поэтому такая связь называется ковалентной . Она характерна для неполярных молекул. Например, .

Впервые в точную науку представление о существенной роли межмолекулярных сил ввел голландский физик Ван дер Вальс. Он считал, что на малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения, поэтому молекулярные силы, действующие между молекулами, часто называют силами Ван дер Ваальса . Эти силы имеют электромагнитную природу. Любой атом и, тем более молекула, это сложная система из большого числа заряженных частиц.

Первыми мы рассмотрим ориентационные силы. У многих молекул, например, центр положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такую молекулу можно приближенно рассматривать, как диполь . Электрические свойства таких молекул характеризуются дипольным электрическим моментом .

Силы взаимодействия между двумя диполями можно вычислить с помощью закона Кулона. Эти силы зависят от ориентации диполей, поэтому они ориентационными

Индукционные силы (поляризационные). Если одна молекула полярная, а другая не полярная, то полярная молекула поляризует неполярную молекулу, и у нее возникает дипольный момент. Между дипольными моментами возникает сила, которую можно вычислить следующим образом: .

Дисперсионные силы. Силы притяжения существуют и между неполярными молекулами. В среднем, дипольные моменты этих молекул равны нулю, но засчет сложного движения электронов вокруг ядра мгновенное значение дипольного момента отлично от нуля. Мгновенный электрический диполь поляризует соседние молекулы и атомы. Квантовый расчет показывает, что эти силы зависят от расстояния, на малых расстояниях, на больших, по сравнению, с размерами молекулы, расстояниях начинает сказываться конечная скорость распространения взаимодействия и.

Силы отталкивания. Силы отталкивания действуют на очень малых расстояниях между молекулами, они очень быстро нарастают по мере сближения молекул и очень сильно зависят от индивидуального строения молекул. К достаточно хорошим результатам приводит допущение, что силы отталкивания зависят от расстояния.

Силы Ван дер Вальса возникают при полном отсутствии обмена зарядами, поэтому, по сравнению, с силами ионной связи они представляют собой другой крайний случай.

Ковалентная связь возникает в результате частичного обмена зарядами и занимает промежуточное положение между силами Ван дер Ваальса и ионной связью.