Van der Waals-erők

Az egymástól a kémiai kötés távolságánál távolabb lévő molekulák kölcsönhatásait összefoglalóan van der Waals-erőknek, más megfogalmazásban van der Waals-kölcsönhatásoknak nevezik. A kölcsönhatásban levő molekulák természetétől függően megkülönböztethetünk irányítási, indukciós és diszperziós erőket.^[1] Sok molekulát nem csak egyféle másodlagos kölcsönhatás tart egyben a kondenzált állapotában, hanem ezeknek a dipólus-alapú kölcsönhatásoknak bizonyos kombinációja.^[2] A van der Waals-kölcsönhatások az elsőrendű kémiai kötéseknél néhány nagyságrenddel gyengébbek.

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 van der Waals-erőket Johannes Diderik van der Waals (1837–1923) Nobel-díjas (1910) holland fizikusról nevezték el.^[3]

Permanens dipól-permanens dipól kölcsönhatás (orientációs kölcsönhatás, Keesom-erő)

Bővebben: dipólus-dipólus kölcsönhatás

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 hőmozgás erősödésével csökken a kölcsönhatás erőssége. Az orientációs kölcsönhatási energia a nyomás negyedik hatványával arányos (E_or ~ p⁴).

Permanens dipól-indukált dipól kölcsönhatás (indukciós kölcsönhatás, Debye-erő)

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.

Indukált dipól-indukált dipól kölcsönhatás (diszperziós kölcsönhatás, London-féle erő)

Bővebben: Diszperziós kötés

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 (He₂, Ne₂, Ar₂, Xe₂) létezését is sikerült kimutatni. Ezek az úgynevezett diszperziós erők csak a kvantummechanika segítségével írhatók le.

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

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.^[4] Egy későbbi tanulmány úgy találta, hogy a kapilláris tapadás is szerepet játszhat,^[5] de ezt később megcáfolták.^[6]^[7]^[8]

Jegyzetek

↑ Archivált másolat. [2016. június 9-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2016. május 21.)
↑ Andreas Hofmann. Physical Chemistry Essentials. Springer International Publishing AG (2018). ISBN 978-3-319-74167-3
↑ http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1910/waals-bio.html
↑ 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. PMC 129431.
↑ 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. PMC 1283435.
↑ 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.
↑ 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.
↑ 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.

Források

Erostyák János, Kozma László, Bergou János, Pintér Ferenc: Fénytan - Relativitáselmélet - Atomhéjfizika. (hely nélkül): Typotex Kiadó. 2003. ISBN 9789639542006
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1910/waals-bio.html
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/622645/van-der-Waals-forces

Kémiaportál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap

[1] Archivált másolat. [2016. június 9-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2016. május 21.)

[physchem-2] Andreas Hofmann. Physical Chemistry Essentials. Springer International Publishing AG (2018). ISBN 978-3-319-74167-3

[3] ttp://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1910/waals-bio.html

[4] 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. PMC 129431.

[5] 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. PMC 1283435.

[6] 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.

[7] 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.

[8] 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]