Van-der-Waals-Kräfte: Eigenschaften und Komponenten

Moleküle haben Energie, also sind sie immer in Bewegung. Dadurch entstehen elektrische Dipole. PASIEKA/SPL, Getty Images

Van-der-Waals-Kräfte sind die schwachen Kräfte, die dazu beitragen intermolekular Verbindung zwischen Moleküle . Moleküle besitzen von Natur aus Energie und ihre Elektronen sind immer in Bewegung, so dass vorübergehende Konzentrationen von Elektronen in der einen oder anderen Region dazu führen, dass elektrisch positive Regionen eines Moleküls von den Elektronen eines anderen Moleküls angezogen werden. Ähnlich werden negativ geladene Regionen eines Moleküls von negativ geladenen Regionen eines anderen Moleküls abgestoßen.

Van-der-Waals-Kräfte sind die Summe der anziehenden und abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen Atomen und Molekülen. Diese Kräfte unterscheiden sich von kovalenten und ionischen chemischen Bindungen, da sie aus Schwankungen der Ladungsdichte von Partikeln resultieren. Beispiele für Van-der-Waals-Kräfte sind: Wasserstoffbindung , Dispersionskräfte , und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.

SCHLUSSELERKENNTNISSE: Van-der-Waals-Streitkräfte

• Van-der-Waals-Kräfte sind abstandsabhängige Kräfte zwischen Atomen und Molekülen, die nicht mit kovalenten oder ionischen chemischen Bindungen verbunden sind.
• Manchmal wird der Begriff verwendet, um alle intermolekularen Kräfte zu umfassen, obwohl einige Wissenschaftler nur die Londoner Dispersionskraft, die Debye-Kraft und die Keesom-Kraft zu ihnen zählen.
• Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten der chemischen Kräfte, aber sie spielen immer noch eine wichtige Rolle bei den Eigenschaften von Molekülen und in der Oberflächenwissenschaft.

Eigenschaften der Van-der-Waals-Kräfte

Bestimmte Eigenschaften werden von van der Waals-Streitkräften gezeigt:

• Sie sind additiv.
• Sie sind schwächer als ionische oder kovalente chemische Bindungen.
• Sie sind nicht richtungsweisend.
• Sie wirken nur über eine sehr kurze Reichweite. Die Wechselwirkung ist größer, wenn sich Moleküle nähern.
• Sie sind temperaturunabhängig, mit Ausnahme von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.

Komponenten der Van-der-Waals-Streitkräfte

Die Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten intermolekularen Kräfte . Ihre Stärke reicht typischerweise von 0,4 Kilojoule pro Mol (kJ/mol) bis 4 kJ/mol und wirkt über Distanzen von weniger als 0,6 Nanometer (nm). Wenn der Abstand weniger als 0,4 nm beträgt, ist der Nettoeffekt der Kräfte abstoßend, da Elektronenwolken sich gegenseitig abstoßen.

Es gibt vier Hauptbeiträge zu den Van-der-Waals-Streitkräften:

1. Eine negative Komponente verhindert, dass Moleküle kollabieren. Dies liegt an der Pauli-Ausschlussprinzip .
2. Zwischen permanenten Ladungen tritt entweder eine anziehende oder eine abstoßende elektrostatische Wechselwirkung auf. Dipole , Quadrupole und Multipole. Diese Wechselwirkung wird Keesom-Wechselwirkung oder Keesom-Kraft genannt, benannt nach Willem Hendrik Keesom.
3. Induktion oder Polarisation tritt auf. Dies ist eine Anziehungskraft zwischen einer permanenten Polarität auf einem Molekül und einer induzierten Polarität auf einem anderen. Diese Wechselwirkung wird Debye-Kraft genannt, für Peter J.W. Tschüss.
4. Die Londoner Dispersionskraft ist die Anziehung zwischen jedem Molekülpaar aufgrund der sofortigen Polarisation. Die Truppe ist nach Fritz London benannt. Beachten Sie, dass selbst unpolare Moleküle eine London-Dispersion erfahren.

Van-der-Waals-Streitkräfte, Geckos und Arthropoden

Geckos, Insekten und einige Spinnen haben Borsten an den Fußsohlen, die es ihnen ermöglichen, auf extrem glatten Oberflächen wie Glas zu klettern. Tatsächlich kann ein Gecko sogar an einem einzigen Zeh hängen! Wissenschaftler haben mehrere Erklärungen für das Phänomen angeboten, aber es stellt sich heraus, dass die Hauptursache der Adhäsion mehr als Van-der-Waals-Kräfte oder Kapillarwirkung istElektrostatische Kraft.

Forscher haben basierend auf der Analyse von Gecko- und Spinnenfüßen Trockenkleber und Klebeband hergestellt. Die Klebrigkeit resultiert aus winzigen Klettverschluss-ähnlichen Haaren und Lipiden, die an Geckofüßen zu finden sind.

Geckofüße sind aufgrund von Van-der-Waals-Kräften, elektrostatischen Kräften und Lipiden auf ihrer Haut klebrig. Stephan Hörold / Getty Images

Spider-Man aus dem wirklichen Leben

Im Jahr 2014 testete die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ihr Gecko-inspiriertes Geckskin, ein Material, das auf den Setae von basiert Gecko Fußpolster und sollen dem Militärpersonal Spider-Man-ähnliche Fähigkeiten verleihen. Ein 220-Pfund-Forscher, der zusätzlich 45 Pfund Ausrüstung trug, erklomm erfolgreich eine 26-Fuß-Glaswand mit zwei Kletterpaddeln.

Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, Van-der-Waals-Kräfte zu nutzen, um Menschen dabei zu helfen, sich an glatten Oberflächen wie Glas und Wänden festzuhalten. OrangeDukeProductions/Getty Images

Quellen

• Kellar, Herbstet al. 'Beweise für die Van-der-Waals-Adhäsion bei Gecko Setae.' Proceedings of the National Academy of Sciences , Bd. 99, Nr. 19, 2002, 12252–6. doi:10.1073/pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I.E., et al. 'Allgemeine Theorie der Van-der-Waals-Kräfte.' Sowjetische Physik Uspekhi , Bd. 4, nr. 2, 1961. doi:10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.
• Israelachvili, J. Intermolekulare und Oberflächenkräfte . Akademische Presse, 1985.
• Parseg, V. A. Van-der-Waals-Kräfte: Ein Handbuch für Biologen, Chemiker, Ingenieure und Physiker. Cambridge University Press, 2005.
• Wolff, J. O., Gorb, S. N. „Der Einfluss der Feuchtigkeit auf die Bindungsfähigkeit der Spinne Philodrom dispar (Araneae, Philodromidae).' Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaften , Bd. 279, Nr. 1726, 2011. doi: 10.1098/rspb.2011.0505 .