Van der Waals-erők

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A van der Waals-erőket Johannes Diderik van der Waals (1837–1923) Nobel-díjas (1910) holland fizikusról nevezték el.[1]

Az anyagot felépítő részecskék közötti kölcsönhatások jellegükben és erősségükben igen eltérőek. Az anyagokban a kötési energia 107–10-3 eV tartományban található. A nukleonok közötti kötések a legerősebbek, és a leggyengébbek a semleges He-atomok között ható diszperziós erők.

A semleges molekulák között fellépő kölcsönhatások az elsőrendű kémiai kölcsönhatásoknál néhány nagyságrenddel gyengébbek. A kölcsönhatásban levő molekulák természetétől függően megkülönböztethetünk irányítási, indukciós és diszperziós erőket. Ezeket az erőket összefoglalóan van der Walls-erőknek nevezik. Más fogalmazásban, az egymástól a kémiai kötés távolságánál távolabb lévő molekulák kölcsönhatását van der Waals-kölcsönhatásnak nevezzük.[2]

Irányítási erő[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Állandó p elektromos dipólusmomentumú molekulák között dipólus-dipólus kölcsönhatás alakul ki. Az egyik molekula dipólusának tere irányítja a többi molekulát. A molekulák hőmozgása következtében azonban ez a beállás a dipólus elektromos terének irányába csak részleges, a hőmérséklet növekedésével, a termikus mozgás erősödésével csökken a kölcsönhatás erőssége. Az orientációs kölcsönhatási energia a p negyedik hatványával arányos.

Indukciós erő[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A dipólusmolekuláknak nemcsak irányító hatásuk van. A molekulák elektronfelhőjére kifejtett taszító- vagy vonzóerők megváltoztatják a molekulák elektromos dipólusmomentumát, vagy ha ez nem volt, indukált elektromos dipólusmomentumot hoznak létre (polarizációs hatás). Az indukált p_{ind} elektromos dipólusmomentum:

p_{ind}=\alpha E

Ahol \alpha a dipólussal nem rendelkező molekula polarizálhatósága, E a dipólusmolekula által keltett elektromos térerősség.

Az indukált kölcsönhatási energia nem függ a hőmérséklettől. Nagynyomású gázok tanulmányozása azt mutatja, hogy elektromos dipólusmomentummal nem rendelkező atomok, például nemesgázok között is hatnak erők. Erre bizonyíték, hogy cseppfolyósítani lehet őket és meg is szilárdulhatnak. Spektroszkópiai úton gázhalmazállapotban kétatomos képződmények, úgynevezett van der Waals-molekulák (\mathrm{He_{2},Ne_{2}, Ar_{2}, Xe_{2}}) létezését is sikerült kimutatni. Ezek az úgynevezett diszperziós erők csak a kvantummechanika segítségével írhatók le.

Diszperziós erők[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A diszperziós kölcsönhatások annak következtében lépnek fel, hogy az atomban (molekulában) a másik atom (molekula) elektronjainak rezgései gerjesztett elektronrezgéseket indukálnak. A szomszédos atomok (molekulák) elektronjainak rezgései azonos fázisúak és így a két atom (molekula) közti vonzáshoz vezetnek. A diszperziós energia nagyságát a zéruspont-energia határozza meg, ha az atomokat (molekulákat) lineáris harmonikus oszcillátornak tekintjük. A diszperziós intermolekuláris erők sok makroszkopikus jelenség kiváltói: adhézió, kohéziós erő, kapilláris jelenségek, kolloid részecskék aggregációja stb.

Példa[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Gekkó az üvegen
Gekkó üvegen

A gekkófélék azon tulajdonságát, hogy sima üvegen is képesek függeszkedni, mászni, a van der Waals-erőknek tulajdonítják. A legtöbb gekkó végtagjain nagyon finom sörtékből álló tapadólemezkék találhatók.[3] Egy későbbi tanulmány úgy találta, hogy a kapilláris tapadás is szerepet játszhat,[4] de ezt később megcáfolták.[5][6][7]

  1. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1910/waals-bio.html
  2. http://www.staff.u-szeged.hu/~bogar/l12_vdw.pdf
  3. Autumn, K. et al. (2002.). „Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae”. Proceedings of the National Academy of Sciences 99 (19), 12252–6. o. DOI:10.1073/pnas.192252799. PMID 12198184.  
  4. Huber, G., et al. (2005.). „Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements”. Proceedings of the National Academy of Sciences 102 (45), 16293–6. o. DOI:10.1073/pnas.0506328102. PMID 16260737.  
  5. Chen, B. (2010.). „An alternative explanation of the effect of humidity in gecko adhesion: stiffness reduction enhances adhesion on a rough surface”. Int JAppl Mech 2, 1–9. o. DOI:10.1142/s1758825110000433.  
  6. Puthoff, J. B., et al. (2010.). „Changes in materials properties explain the effects of humidity on gecko adhesion”. J Exp Biol 213 (21), 3699–3704. o. DOI:10.1242/jeb.047654.  
  7. Prowse, M. S., et al. (2011.). „Effects of humidity on the mechanical properties of gecko setae”. Acta Biomater 7 (2), 733–738. o. DOI:10.1016/j.actbio.2010.09.036. PMID 20920615.  

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Erostyák János,Kozma László, Bergou János,Pintér Ferenc: Fénytan - Relativitáselmélet - Atomhéjfizika. (hely nélkül): Typotex Kiadó. 2003. ISBN 9789639542006  

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]