Ван дер Валсова хемиска врска. Силите на Ван дер Валс. Класификација на силите на ван дер Валс

10-20 kJ/mol. Овој термин првично ги означувал сите такви сили, во модерната наукаобично се применува на силите што се создаваат со поларизација на молекулите и формирање на диполи. Откриен од J.D. van der Waals во 1869 година.

Вандер Валсовите сили на меѓуатомската интеракција на инертни гасови ја одредуваат можноста за постоење на агрегатни состојби на инертни гасови (гас, течност и цврсти материи).

Силите на Ван дер Валс вклучуваат интеракции помеѓу диполите (постојани и индуцирани). Името доаѓа од фактот дека овие сили се причина за корекција на внатрешниот притисок во ван дер Валсовата равенка на состојбата за вистински гас. Овие интеракции, како и водородните врски, го одредуваат формирањето просторна структурабиолошки макромолекули.

Силите на Вандер Валс се јавуваат и помеѓу честичка (макроскопска честичка или наночестичка) и молекула и помеѓу две честички.

Класификација на силите на ван дер Валс

Интеракцијата на Вандер Валс се состои од три видаслаби електромагнетни интеракции:

• Сили за ориентација, дипол-дипол привлечност. Се изведува помеѓу молекули кои се постојани диполи. Пример е HCl во течна и цврста состојба. Енергијата на таквата интеракција е обратно пропорционална со коцката на растојанието помеѓу диполите.
• Дисперзивна привлечност (лондонски сили, сили на дисперзија).Предизвикани од интеракцијата помеѓу моменталните и индуцираните диполи. Енергијата на таквата интеракција е обратно пропорционална со шестата сила на растојанието помеѓу диполите.
• Индуктивна привлечност (поларизациска привлечност).Интеракција помеѓу постојан дипол и индуциран. Енергијата на таквата интеракција е обратно пропорционална на шестата сила на растојанието помеѓу диполите.

Досега, многу автори произлегуваат од претпоставката дека силите на Ван дер Валс ја одредуваат меѓуслојната интеракција во слоевитите кристали, што е во спротивност со експерименталните податоци: скалата на анизотропија на температурата на Дебај и, соодветно, скалата на анизотропија на рефлексија на решетка. Врз основа на оваа погрешна претпоставка, изградени се многу дводимензионални модели кои ги „опишуваат“ својствата, особено на графитот и борниот нитрид.

Во вториот случај дејствуваат таканаречените сили Казимир и Казимир-Лифшиц.

Манифестации во природата

Видете исто така

Белешки

Литература

• Бараш Ју.Силите на Ван дер Валс. - М.: Наука, 1988. - 344 стр.
• Каплан И.Г.Вовед во теоријата на меѓумолекуларните интеракции. - М.: Наука, 1982. - 312 стр.
• Каплан И.Г.Интермолекуларни интеракции. Физичко толкување, компјутерски пресметки и модел потенцијал. - М.: БИНОМ. Лабораторија на знаење, 2012. - 400 стр. - ISBN 978-5-94774-939-7.
• Интермолекуларни интеракции; од диатомски молекули до биополимери / Превод. од англиски уред: Pyulman B. - M.: Mir, 1981. - 592 стр.
• Дерјагин Б.В., Чураев Н.В., Мулер В.М.Површински сили. - М.: Наука, 1985. - 400 стр.
• Хобза П., Захрадник Р.Интермолекуларни комплекси: Улогата на ван дер Валс системите во физичката хемија и биодисциплини. - М.: Мир, 1989. - 376 стр.
• Израелачвили Ј.Интермолекуларни и површински сили. - Лондон: Академски печат, 1985-2004. - 450 с.- ISBN 0-12-375181-0.

Силите на Ван дер Валс- сили на меѓумолекуларно (и меѓуатомско) заемодејство со енергија од 10 - 20 kJ/mol. Овој термин првично ги означувал сите такви сили во модерната наука, тој обично се применува на силите што произлегуваат од поларизацијата на молекулите и формирањето на диполи. Откриен од J. D. van der Waals во 1869 година.

Ван дер Валсовите сили на меѓуатомската интеракција на инертните гасови ја одредуваат можноста за постоење состојби на агрегацијаинертни гасови (гас, течност и цврсти материи).

Силите на Ван дер Валс вклучуваат интеракции помеѓу диполите (постојани и индуцирани). Името доаѓа од фактот дека овие сили предизвикуваат корекција на внатрешниот притисок во ван дер Валсовата равенка на состојбата за вистински гас. Овие интеракции, како и водородните врски, го одредуваат формирањето на просторната структура на биолошките макромолекули.

Силите на Ван дер Валс се јавуваат и помеѓу честичка (макроскопска честичка или наночестичка) и молекула и помеѓу две честички.

• 1 Класификација на силите на ван дер Валс
• 2 Манифестации во природата
• 3 Видете исто така
• 4 Белешки
• 5 Литература

Класификација на силите на ван дер Валс

Ван дер Валсовата интеракција се состои од три типа на слаби електромагнетни интеракции:

• Сили за ориентација, дипол-дипол привлечност. Се изведува помеѓу молекули кои се постојани диполи. Пример е HCl во течна и цврста состојба. Енергијата на таквата интеракција е обратно пропорционална со коцката на растојанието помеѓу диполите.
• Дисперзивна привлечност (лондонски сили).Интеракција помеѓу моменталните и индуцираните диполи. Енергија
• Индуктивна привлечност.Интеракција помеѓу постојан дипол и индуциран. Енергијата на таквата интеракција е обратно пропорционална со шестата сила на растојанието помеѓу диполите.

Досега, многу автори произлегуваат од претпоставката дека силите на Ван дер Валс ја одредуваат меѓуслојната интеракција во слоевитите кристали, што е во спротивност со експерименталните податоци: скалата на анизотропија на температурата на Дебај и, соодветно, скалата на анизотропија на рефлексија на решетка. Врз основа на оваа погрешна претпоставка, изградени се многу дводимензионални модели кои ги „опишуваат“ својствата, особено на графитот и борниот нитрид.

Во вториот случај дејствуваат таканаречените сили Казимир и Казимир-Лифшиц.

Манифестации во природата

• Кохезија на честички на мали астероиди во прстенот на Сатурн;
• Способноста на геконите да се качуваат на мазни површини како што е стаклото.

Видете исто така

• Интермолекуларна интеракција
• Интератомска интеракција
• Сили на дисперзија

Белешки

1. С.В. Ordin, J. Semiconductors (FTP), 32 (9), 924-932, 1998, Нормални решетки вибрации и накристална структура на анизотропни модификации на борниот нитрид
2. Привлечноста на малите нешта: Малите сили се важни (RU). Списание „Популарна механика“ (24.02.2010). - Малите, брзо ротирачки астероиди не можат да го задржат својот интегритет поради гравитацијата: тие се премногу мали за ова, и центрифугални силилесно ќе ги раскине. Што ги одржува цели? Преземено на 25 февруари 2010 година. Архивирано од оригиналот на 14 февруари 2012 година.
3. Autumn†, Sitti, Liang et al., Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae, PNAS v. 99 бр. 19, 2002 , стр. 12252-12256

Литература

• Силите на Бараш Ју. - М.: Наука, 1988. - 344 стр.
• Каплан I. G. Вовед во теоријата на меѓумолекуларните интеракции. - М.: Наука, 1982. - 312 стр.
• Каплан И.Г. Интермолекуларни интеракции. Физичко толкување, компјутерски пресметки и модел потенцијал М.: BINOM. Лабораторија на знаење, 2012. - 400 стр. ISBN: 978-5-94774-939-7
• Интермолекуларни интеракции; од диатомски молекули до биополимери / Превод. од англиски уред: Pyulman B. - M.: Mir, 1981. - 592 стр.
• Дерјагин Б.В., Чураев Н.В., Мулер В.М. Површински сили. - М.: Наука, 1985. - 400 стр.
• Khobza P., Zahradnik R. Интермолекуларни комплекси: Улогата на ван дер Валс системите во физичката хемија и биодисциплини.. - М.: Мир, 1989 страници=376.
• Israelachvili J. Интермолекуларни и површински сили. - Лондон: Академски печат, 1985-2004. - 450 стр., ISBN 0-12-375181-0
• Е. М. Лифшиц, И. Е. Џјалошински, Л. П. Питаевски Општа теоријасили на ван дер Валс // Физ. - 1961. - Т. 73. - бр. 3. - стр. 381-422.

Информации за силите на Ван дер Валс за

Кога избираме еден или друг модел на физички процес, ние, како што веќе реков, го избираме оној што ни овозможува доследно да ги објасниме набљудуваните феномени, а уште подобро, да предвидиме нови откритија.

Во опишувањето на атомските ефекти, ние користиме атомски модел во кој електроните се вртат околу јадрото. Да разгледаме неполарна молекула. Бидејќи е неполарен, нема изразен негативен и позитивен пол и затоа не може да биде привлечен од соседните молекули како што се случува, на пример, со молекулите на водата. А сепак - електроните ротираат, и не стојат во место! Тоа значи дека дистрибуцијата на електроните во молекулата не може да биде целосно униформа - грубо кажано, електроните на едниот атом отишле лево, а електроните на другиот нагоре, или нешто друго. Како резултат на тоа, неизбежно мора да се појават нарушувања во дистрибуцијата. електричен полнеж, односно дури ни поларна молекулаСепак, мора постојано да ги покажува својствата на светлосниот поларитет! Искривувањата во распределбата на електричниот полнеж се појавуваат, природно, според одреден систем, и како резултат на тоа, дури и навидум неполарна молекула сепак станува малку поларна, и како резултат на тоа, молекулите се редат во одреден редослед - како столбови одбиваат, а за разлика од оние привлекуваат, а течноста станува по „леплива“.

Тоа е, дури и помеѓу навидум целосно неполарни молекули многу слаб електрична интеракција, кој се нарекува „сили на ван дер Валс“.

Знаеме дека силното „лепење“ на молекулите на водата води до фактот дека водата има огромен топлински капацитет - огромен во споредба со некоја идеална течност во која молекулите се целосно неполарни. Оттука лесно може да се заклучи дека оние течности кои се состојат од навидум целосно неполарни молекули ќе имаат топлински капацитет нешто поголем од она што следи од пресметките во кои претпоставуваме дека молекулите на оваа течност се целосно неполарни. Ова треба да се случи поради „индуцираниот“ или, како што велат, „индуцираниот“ поларитет поврзан со ротацијата на електроните. До експериментот е, а експериментот го потврдува предвидувањето! Темелното проучување на ова прашање овозможува да се пресметаат шеми кои ја поврзуваат големината на привлечните сили на Ван дер Валс со структурата на молекулата.

Силите на Ван дер Валс се многу слаби, а сепак во микросветот дури и многу слабите сили можат да предизвикаат исклучително важни последици. Силите на Ван дер Валс се уште еден вид хемиска врска.

(Одреден придонес за постоењето на ван дер Валсовите сили има и ефектот дека електроните што се движат генерираат магнетно поле, но овие детали сега се незначителни).

Дејството на силите на ван дер Валс, како и нивната комбинирана моќ, може да се види во таков неочекуван пример како што се шепите на геко. Студиите на шепите на геко покажаа дека тие се привлечени од стаклото, како и од другите мазни површини, токму од силите на ван дер Валс кои се појавуваат помеѓу тенките влакна на шепата и површината. Еден квадратен милиметар од стапалото на геко содржи околу 14.000 влакна кои личат на влакна. Дијаметарот на едно такво влакно е 5 микрони, односно пет илјадити дел од милиметарот (за споредба, дебелината на човечкото влакно е приближно 50 микрони). Но, тоа не е сè - секоја наежвам е покриена со 100 - 1000 влакна! Должината на едно такво влакно е 0,2 микрони - само малку пократка од брановата должина на видливата светлина (0,4-0,8 микрони)!! Се разбира, битието такамали, овие влакна се во близок контакт со молекулите што ги сочинуваат и со молекулите на површината, како резултат на што почнуваат да дејствуваат силите на Ван дер Валс.

Прстите на гековите може да изгледаат како многу флексибилни, но тие всушност само се виткаат. задната страна- не како луѓето. Ова им овозможува да ги надминат силите на Ван дер Валс со постепено отстранување на нивните шепи од стаклото, почнувајќи од врвовите. Овој пилинг го менува аголот помеѓу милионите поединечни влакна и површината, ослабувајќи ги силите за фаќање. Најчесто, шепите на геконите не се држат до својот максимален капацитет. Нивната лепливост зависи од грубоста на површината, а со тоа и од бројот на влакна што ја допираат. Ако типичен мал геко го постави секое влакно на шепите на таванот, може да собере 133 килограми!

Силата на Ван дер ВалсСилата на меѓумолекуларното привлекување има три компоненти. Имаат донекаде одлични физичка природа, но нивниот потенцијал зависи од растојанието помеѓу молекулите на ист начин - како и . Оваа среќна околност ни овозможува директно да ги споредиме константите на интеракцијата што одговараат на трите компоненти на ван дер Валсовата сила и поради нивната идентична зависност од растојанието, пропорцијата помеѓу компонентите ќе се одржува на различни . Самите константи за мултипликаторот ќе се разликуваат за различни супстанции.

Сите три компоненти на ван дер Валсовата сила се засноваат на интеракцијата на диполите, па да се потсетиме на двете главни формули.

Енергијата на дипол поставен во поле [ 1 ]:

(2)

Електричното поле создадено од диполот [ 1 ]:

(3)
Каде n– единичен вектор во насока
до диполот од точката каде што го бараме теренот.

Ориентациона интеракција(или Кизома моќ) се јавува помеѓу поларните молекули кои самите имаат електричен диполен момент. Во согласност со (2), (3), енергијата на интеракција на два дипола и на растојание

значително зависи од релативната ориентација на молекулите. Еве го единечниот вектор долж линијата што ги поврзува молекулите.

За да се обезбеди минимален потенцијал, диполите имаат тенденција да бидат лоцирани во една насока долж заедничката оска (сл. 1). Сепак, термичкото движење го уништува овој редослед. За да се најде „резултантниот“ ориентационен потенцијал, неопходно е да се изврши статистички просек на интеракцијата над различни можни ориентации на пар молекули. Забележете дека поради Гибсовата распределба, која ја покажува веројатноста системот да биде во состојба со енергија на температура, енергетски поволните позиции се претпочитаат. Затоа, и покрај изотропијата на можната меѓусебна ориентација, резултатот од просекот ќе биде ненула.

Ориз. 1. Енергијата на интеракцијата на диполите зависи од нивната меѓусебна ориентација.
За да се најде „ефективниот“ потенцијал, неопходно е да се изврши термодинамичка просечност
во сите просторни правци на диполите.

Просекот над распределбата на Гибс се врши според формулата

каде што именителот за нормализација го содржи статистичкиот збир, а е параметарот за интегрирање, кој обезбедува набројување на сите можни состојби на системот (меѓусебни ориентации на пар диполи).

Кога експонентот се прошири во серија:

а енергијата на интеракцијата на ориентација е приближно еднаква на:

Спроведувајќи ја интеграцијата, можеме да покажеме дека , и, на тој начин, . Според (4) можеме да напишеме со воведување на константата:

Индуктивна интеракција(или Дебај сила) се јавува помеѓу поларни и неполарни молекули. Електричното поле создадено од диполот предизвикува поларизација на другата молекула. Индуциран вртежен момент пресметан по прв ред квантна теоријапертурбации, еднакви на тоа каде што ја означува поларизацијата на молекулата.

Ориз. 2. Под влијание на полето на поларна молекула се стекнува соседната
индуциран диполен момент.

Потоа, потенцијалот за индуктивна интеракција се пресметува на следниов начин:

Така, интеракцијата повторно има „универзална“ зависност, но од сосема друга причина и со друга константа.

Треба да се напомене дека во течност и цврсти материиполаризираната молекула доживува симетрично влијание големо количествососедните молекули, а резултатот од нивното дејство во голема мера ја компензира индуктивната интеракција. Ова води до фактот дека вистинската индуктивна интеракција е:

Дисперзивна интеракција(или Моќта на Лондон) е најчест, бидејќи во него учествуваат и неполарни молекули. Овој трет термин (1) е секогаш присутен и во оваа смисла е најважен.

Ориз. 3. Неполарните молекули, поради квантната несигурност, имаат „моментално“
диполни моменти, чија интеракција се јавува во вториот ред на теоријата на пертурбации.

Во систем на неполарни молекули, брановата функција на електроните е таква што просечните вредности на диполните моменти во која било состојба се еднакви на нула . Сепак, недијагоналните матрични елементи повеќе не се еднакви на нула. И излегува дека втората квантна механичка корекција на енергијата на интеракцијата повеќе нема да биде нула. Таа е позната на [ 2 ], се пресметува со формулата:

каде што пертурбацијата е (4), и , се енергиите на систем од две молекули во некои состојби и .

Во извесна смисла, „моменталните“ вредности на диполните моменти (при нула просек) се ненула и комуницираат едни со други. Згора на тоа, во вториот ред на малечок, просечната вредност на таков „моментален“ потенцијал повеќе не исчезнува, ова е потенцијалот на дисперзија на интеракција.

Корекцијата (11), како што може да се види, е пропорционална со вториот степен на нарушување. Од ова е јасно дека

Постојана се нарекува Хамакерова константа (тука , се потенцијалите на јонизација, , се поларизираноста на молекулите).

Можете исто така да дадете класична интерпретација. Диполниот момент на една молекула што произлегува поради флуктуации создава поле, што пак ја поларизира втората. Сега ненултичкото поле на втората молекула ја поларизира првата. Потенцијалот во овој необичен систем со „позитивен фидбек“ се пресметува слично како и индуктивната интеракција.

Релативна улога различни видовиСилите на Ван дер Валс се дадени табела 1 [3, 4 ].

Табела 1. Вредности на поларизација, диполен момент, јонизациски потенцијал и енергија разни видовислаби интеракции помеѓу некои атоми и молекули.

Јасно е дека силата се дефинира како

Извршувајќи проценки за типични услови на AFM експеримент во режим на контакт, ја добиваме вредноста на ван дер Валсовата привлечност: .

Заклучоци.

Литература.

1. Сивукин Д.В. Па општа физика: Електрична енергија. – М.: Наука, 1983. – 687 стр.
2. Ландау Л.Д. Квантна механика: Нерелативистичка теорија. – М.: Наука, 1989. – 767 стр.
3. Рубин А.Б. Биофизика: Теоретска биофизика. - М.: Универзитет за куќа на книгата, 1999. – 448 стр.
4. Адамсон А. Физичка хемијаповршини. - М.: Мир, 1979 година. – 568 стр.

Силите на сврзување во молекулите.

Електроните во близина на јадрото се држат заедно од силите на Кулон на привлекување помеѓу спротивни полнежи. Атомот како целина е електрично неутрален. Молекулите се составени од атоми. Силите што ги задржуваат атомите во молекулите се исто така електрични, но нивното потекло е нешто покомплицирано. Постојат два типа на врски помеѓу атомите во молекулите.

Јонска врска . Некои атоми имаат електрони кои се многу слабо врзани за атомот како целина. Овие електрони може лесно да се изгубат од атом што резултира со формирање на позитивни јони, во другите атоми е спротивното, електроните се силно врзани за атомот и атомот може да зграби друг електрон и да стане негативен јон. Помеѓу јоните дејствуваат кулоновите привлечни сили, кои обезбедуваат формирање на молекули. Кога јоните се приближуваат еден до друг, се формираат одбивни сили помеѓу слични полнежи. Овие молекули се нарекуваат поларна . Оваа врска е типична за поларните молекули.

Ковалентна врска. Размислете за два позитивни полнежи со негативен полнеж меѓу нив. Обвиненијата се идентични по модул. Според квантната механика, во просек, некои електрони поминуваат поголем дел од своето време помеѓу јадрата додека се движат. Овие електрони се споделени и не може да се каже на кој атом припаѓаат, па оваа врска се нарекува ковалентен . Карактеристично е за неполарни молекули. На пример,.

За прв пат во егзактна наукаИдејата за суштинската улога на меѓумолекуларните сили ја воведе холандскиот физичар Ван дер Волс. Тој верувал дека на мали растојанија помеѓу молекулите има одбивни сили, а на големи растојанија има привлечни сили, затоа молекуларните сили што дејствуваат помеѓу молекулите често се нарекуваат Силите на Ван дер Валс . Овие сили се електромагнетни по природа. Секој атом, а особено молекула, е комплексен системод голем бројнаелектризирани честички.

Прво ќе погледнеме сили за ориентација.За многу молекули, на пример, центарот на позитивни и негативни полнежи не се совпаѓаат. Таквата молекула приближно може да се смета како дипол . Електрични својстватаквите молекули се карактеризираат со дипол електричен момент .

Силите на интеракцијата помеѓу два дипола може да се пресметаат со помош на Кулонов закон. Овие сили зависат од ориентацијата на диполите, па тие ориентационен

Индуктивни сили (поларизација).Ако едната молекула е поларна, а другата неполарна, тогаш поларната молекула ја поларизира неполарната молекула и таа развива диполен момент. Помеѓу диполните моменти се јавува сила која може да се пресмета на следниот начин: .

Сили на дисперзија.Привлечни сили постојат и помеѓу неполарни молекули. Во просек, диполните моменти на овие молекули се нула, но поради сложеното движење на електроните околу јадрото, моменталната вредност на диполниот момент е различна од нула. Моменталниот електричен дипол ги поларизира соседните молекули и атоми. Квантните пресметки покажуваат дека овие сили зависат од растојанието на мали растојанија, на големи растојанија, во споредба со големината на молекулата, тие почнуваат да имаат ефект; конечна брзинаширење на интеракцијата и.

Одбивни сили.Одбивните сили дејствуваат на многу мали растојанија помеѓу молекулите, тие се зголемуваат многу брзо како што молекулите се приближуваат и многу зависат од индивидуалната структура на молекулите. Претпоставката дека одбивните сили зависат од растојанието води до прилично добри резултати.

Силите на Ван дер Волс се јавуваат во целосно отсуство на размена на полнеж, така што, во споредба со силите на јонската врска, тие претставуваат уште еден екстремен случај.

Ковалентната врска настанува како резултат на делумна размена на полнежи и зазема средна позиција помеѓу силите на Ван дер Валс и јонските врски.