Van der Waals krachten eigenschappen en componenten

Van der Waals-krachten zijn de zwakke krachten die bijdragen aan intermoleculaire binding tussen moleculen. Moleculen bezitten inherent energie en hun elektronen zijn altijd in beweging, dus voorbijgaande concentraties van elektronen in het ene of het andere gebied leiden ertoe dat elektrisch positieve gebieden van een molecuul worden aangetrokken tot de elektronen van een ander molecuul. Evenzo worden negatief geladen gebieden van een molecuul afgestoten door negatief geladen gebieden van een ander molecuul.

Van der Waals-krachten zijn de som van de aantrekkelijke en afstotende elektrische krachten tussen atomen en moleculen. Deze krachten verschillen van covalente en ionische chemische binding omdat ze het gevolg zijn van schommelingen in de ladingsdichtheid van deeltjes. Voorbeelden van van der Waals-krachten omvatten waterstofbinding, dispersiekrachten en dipool-dipool-interacties.

Belangrijkste afhaalrestaurants: Van der Waals Forces

• Van der Waals-krachten zijn afstandsafhankelijke krachten tussen atomen en moleculen die niet zijn geassocieerd met covalente of ionische chemische bindingen.
• Soms wordt de term gebruikt om alle intermoleculaire krachten te omvatten, hoewel sommige wetenschappers alleen de Londense dispersiekracht, Debye-kracht en Keesom-kracht omvatten.
• Van der Waals krachten zijn de zwakste van de chemische krachten, maar ze spelen nog steeds een belangrijke rol in de eigenschappen van moleculen en in oppervlaktewetenschap.

Eigenschappen van Van der Waals Forces

Bepaalde kenmerken worden weergegeven door van der Waals krachten:

• Ze zijn additief.
• Ze zijn zwakker dan ionische of covalente chemische bindingen.
• Ze zijn niet directioneel.
• Ze handelen alleen over een zeer korte afstand. De interactie is groter wanneer moleculen dichterbij komen.
• Ze zijn onafhankelijk van temperatuur, met uitzondering van dipool-dipool interacties.

Componenten van Van der Waals Forces

Van der Waals krachten zijn de zwakste intermoleculaire krachten. Hun sterkte varieert typisch van 0,4 kilojoule per mol (kJ / mol) tot 4 kJ / mol en werkt over afstanden van minder dan 0,6 nanometer (nm). Wanneer de afstand kleiner is dan 0,4 nm, is het netto effect van de krachten afstotelijk wanneer elektronenwolken elkaar afstoten.

Er zijn vier belangrijke bijdragen aan de strijdkrachten van van der Waals:

1. Een negatieve component voorkomt dat moleculen instorten. Dit komt door het Pauli-uitsluitingsprincipe.
2. Ofwel een aantrekkelijke of een afstotende elektrostatische interactie treedt op tussen permanente ladingen, dipolen, quadrupolen en multipolen. Deze interactie wordt Keesom-interactie of Keesom-kracht genoemd, genoemd naar Willem Hendrik Keesom.
3. Inductie of polarisatie treedt op. Dit is een aantrekkelijke kracht tussen een permanente polariteit op het ene molecuul en een geïnduceerde polariteit op het andere. Deze interactie wordt de Debye-kracht genoemd, voor Peter J.W. Debye.
4. De dispersiekracht van Londen is de aantrekkingskracht tussen elk paar moleculen vanwege onmiddellijke polarisatie. De kracht is vernoemd naar Fritz Londen. Merk op dat zelfs niet-polaire moleculen de dispersie van Londen ervaren.

Van der Waals strijdkrachten, gekko's en geleedpotigen

Gekko's, insecten en sommige spinnen hebben op hun voetzolen een setae waarmee ze extreem gladde oppervlakken zoals glas kunnen beklimmen. In feite kan een gekko zelfs aan een enkele teen hangen! Wetenschappers hebben verschillende verklaringen voor het fenomeen gegeven, maar het blijkt dat de primaire oorzaak van de hechting, meer dan van der Waals krachten of capillaire werking, elektrostatische kracht is.

Onderzoekers hebben droge lijm en plakband geproduceerd op basis van analyse van gekko- en spinvoeten. De plakkerigheid is het gevolg van kleine klittenbandachtige haren en lipiden die op gekkopootjes voorkomen.

Gekko voeten zijn plakkerig vanwege van der Waals krachten, elektrostatische krachten en lipiden op hun huid. StephanHoerold / Getty Images

Levensechte Spider-Man

In 2014 heeft het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) zijn door gecko geïnspireerde Geckskin getest, een materiaal dat is gebaseerd op de set gecko-voetkussens en bedoeld is om militair personeel Spider-Man-achtige vaardigheden te geven. Een onderzoeker van 220 pond die nog eens 45 pond spullen droeg, wist met succes een 26-voet glazen wand te schalen met behulp van twee klimpeddels.

Wetenschappers hebben een manier gevonden om van der Waals-krachten te gebruiken om mensen te helpen zich vast te klampen aan gladde oppervlakken, zoals glas en muren. OrangeDukeProductions / Getty Images

bronnen

• Kellar, Autumn, et al. "Bewijs voor Van der Waals hechting in Gecko Setae." Proceedings van de National Academy of Sciences, vol. 99, nee. 19, 2002, 12252-6. doi: 10,1073 / pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I. E., et al. "Algemene theorie van de strijdkrachten van Van der Waals." Sovjetfysica Uspekhi, vol. 4, nee. 2, 1961. doi: 10.1070 / PU1961v004n02ABEH003330.
• Israelachvili, J. Intermoleculaire en oppervlaktekrachten. Academic Press, 1985.
• Parsegian, V. A. Van der Waals Forces: A Handbook for Biologists, Chemists, Engineers and Physicists. Cambridge University Press, 2005.
• Wolff, J. O., Gorb, S. N. "De invloed van vochtigheid op het hechtingsvermogen van de spin Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae). " Proceedings van de Royal Society B: Biological Sciences, vol. 279, nee. 1726, 2011. doi: 10.1098 / rspb.2011.0505.