Proprietà e componenti delle forze di Van der Waals

Le forze di Van der Waals sono le forze deboli che contribuiscono al legame intermolecolare tra le molecole. Le molecole possiedono intrinsecamente energia e i loro elettroni sono sempre in movimento, quindi concentrazioni transitorie di elettroni in una regione o in un'altra conducono regioni elettricamente positive di una molecola per essere attratte dagli elettroni di un'altra molecola. Allo stesso modo, le regioni con carica negativa di una molecola vengono respinte da regioni con carica negativa di un'altra molecola.

Le forze di Van der Waals sono la somma delle forze elettriche attraenti e ripugnanti tra atomi e molecole. Queste forze differiscono dal legame chimico covalente e ionico perché derivano da fluttuazioni nella densità di carica delle particelle. Esempi di forze di van der Waals includono legame idrogeno, forze di dispersione e interazioni dipolo-dipolo.

Key Takeaways: Forze di Van der Waals

• Le forze di Van der Waals sono forze dipendenti dalla distanza tra atomi e molecole non associate a legami chimici covalenti o ionici.
• A volte il termine è usato per comprendere tutte le forze intermolecolari, sebbene alcuni scienziati includano solo tra loro la forza di dispersione di Londra, la forza di Debye e la forza di Keesom.
• Le forze di Van der Waals sono le forze chimiche più deboli, ma svolgono ancora un ruolo importante nelle proprietà delle molecole e nella scienza delle superfici.

Proprietà delle forze di Van der Waals

Alcune caratteristiche sono mostrate dalle forze di van der Waals:

• Sono additivi.
• Sono più deboli dei legami chimici ionici o covalenti.
• Non sono direzionali.
• Agiscono solo su un raggio molto breve. L'interazione è maggiore quando le molecole si avvicinano.
• Sono indipendenti dalla temperatura, ad eccezione delle interazioni dipolo-dipolo.

Componenti delle forze di Van der Waals

Le forze di Van der Waals sono le forze intermolecolari più deboli. La loro resistenza varia tipicamente da 0,4 chilojoule per mole (kJ / mol) a 4 kJ / mol e agisce su distanze inferiori a 0,6 nanometri (nm). Quando la distanza è inferiore a 0,4 nm, l'effetto netto delle forze è repulsivo quando le nuvole di elettroni si respingono.

Ci sono quattro importanti contributi alle forze di van der Waals:

1. Un componente negativo impedisce il collasso delle molecole. Ciò è dovuto al principio di esclusione di Pauli.
2. Un'interazione elettrostatica attraente o repulsiva si verifica tra cariche permanenti, dipoli, quadrupoli e multipoli. Questa interazione è chiamata interazione di Keesom o forza di Keesom, chiamata per Willem Hendrik Keesom.
3. Si verifica induzione o polarizzazione. Questa è una forza attrattiva tra una polarità permanente su una molecola e una polarità indotta su un'altra. Questa interazione è chiamata la forza Debye, per Peter J.W. Debye.
4. La forza di dispersione di Londra è l'attrazione tra qualsiasi coppia di molecole dovuta alla polarizzazione istantanea. La forza prende il nome da Fritz London. Si noti che anche le molecole non polari sperimentano la dispersione di Londra.

Forze, gechi e artropodi di Van der Waals

Gechi, insetti e alcuni ragni hanno delle setole sui cuscinetti dei loro piedi che permettono loro di arrampicarsi su superfici estremamente lisce come il vetro. In effetti, un geco può persino pendere da un solo dito! Gli scienziati hanno offerto diverse spiegazioni per il fenomeno, ma risulta che la causa primaria dell'adesione, più delle forze di van der Waals o dell'azione capillare, è la forza elettrostatica.

I ricercatori hanno prodotto colla a secco e nastro adesivo sulla base dell'analisi del geco e dei piedi di ragno. La viscosità deriva da piccoli peli simili a velcro e lipidi trovati sui piedi del geco.

I piedi del geco sono appiccicosi a causa delle forze di van der Waals, forze elettrostatiche e lipidi trovati sulla loro pelle. StephanHoerold / Getty Images

Spider-Man nella vita reale

Nel 2014, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha testato la sua Geckskin ispirata al geco, un materiale basato sulle serie di cuscinetti per i piedi del geco e destinato a fornire al personale militare abilità simili a Spider-Man. Un ricercatore da 220 libbre che trasportava ulteriori 45 libbre di attrezzatura ha scalato con successo una parete di vetro di 26 piedi usando due pagaie.

Gli scienziati hanno trovato il modo di usare le forze di van der Waals per aiutare le persone ad aggrapparsi a superfici lisce, come vetro e pareti. OrangeDukeProductions / Getty Images

fonti

• Kellar, Autumn, et al. "Prova dell'adesione di Van der Waals a Gecko Setae." Atti della National Academy of Sciences, vol. 99, n. 19, 2002, 12252-6. doi: 10.1073 / pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I. E., et al. "Teoria generale delle forze di Van der Waals". Fisica sovietica Uspekhi, vol. 4, no. 2, 1961. doi: 10.1070 / PU1961v004n02ABEH003330.
• Israelachvili, J. Forze intermolecolari e di superficie. Academic Press, 1985.
• Parsegian, V. A. Forze di Van der Waals: un manuale per biologi, chimici, ingegneri e fisici. Cambridge University Press, 2005.
• Wolff, J. O., Gorb, S. N. "L'influenza dell'umidità sull'abilità attaccamento del ragno Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae). " Atti della Royal Society B: Scienze biologiche, vol. 279, n. 1726, 2011. doi: 10.1098 / rspb.2011.0505.