Le forze di Van der Waals formano legami elettrostatici tra le molecole. I legami intermolecolari, compresi i legami di Van der Waals, tengono insieme le molecole nei liquidi e nei solidi e sono responsabili di fenomeni come la tensione superficiale nei liquidi e i cristalli nei solidi. Le forze intermolecolari sono molto più deboli delle forze interne che tengono insieme gli atomi nelle molecole, ma sono ancora abbastanza forti da influenzare il comportamento e le proprietà di molti materiali.
TL; DR (troppo lungo; non letto)
Le forze elettrostatiche di Van de Waals agiscono tra le molecole per formare legami deboli. I tipi di forze di Van der Waals, dal più forte al più debole, sono le forze dipolo-dipolo, le forze dipolo indotte dal dipolo e le forze di dispersione di Londra. Il legame idrogeno si basa su un tipo di forza dipolo-dipolo particolarmente potente. Queste forze aiutano a determinare le caratteristiche fisiche dei materiali.
Tipi di forze di Van der Waals
Tre tipi di forze di Van der Waals, dalla più forte alla più debole, sono le forze dipolo-dipolo, le forze dipolo indotte dal dipolo e le forze di dispersione di Londra. I dipoli sono molecole polari con poli caricati negativamente e positivamente alle estremità opposte della molecola. Il polo negativo di una molecola attrae il polo positivo di un'altra molecola, formando un legame elettrostatico dipolo-dipolo.
Quando una molecola di dipolo carica si avvicina a una molecola neutra, induce una carica opposta nella molecola neutra e le cariche opposte si attraggono per formare un legame dipolo indotto dal dipolo. Quando due molecole neutre diventano dipoli temporanei perché i loro elettroni si raccolgono su un lato della molecola, il le molecole neutre sono attratte da forze elettrostatiche chiamate forze di dispersione di Londra e possono formare un corrispondente legame.
Le forze di dispersione di Londra sono deboli nelle molecole piccole, ma aumentano di forza nelle molecole più grandi dove molti degli elettroni sono relativamente lontani dal nucleo caricato positivamente e sono liberi di muoversi in giro. Di conseguenza, possono accumularsi in modo asimmetrico attorno alla molecola, creando l'effetto dipolo temporaneo. Per le grandi molecole, le forze di dispersione di Londra diventano un fattore significativo nel loro comportamento.
Quando una molecola di dipolo contiene un atomo di idrogeno, può formare un legame dipolo-dipolo particolarmente forte, perché l'atomo di idrogeno è piccolo e la carica positiva è concentrata. La maggiore forza del legame rende questo caso speciale chiamato legame idrogeno.
In che modo le forze di Van der Waals influiscono sui materiali
Nei gas a temperatura ambiente, le molecole sono troppo distanti e hanno troppa energia per essere influenzate dalle forze intermolecolari di Van der Waals. Queste forze diventano importanti per liquidi e solidi perché le molecole hanno meno energia e sono più vicine tra loro. Le forze di Van der Waals sono tra le forze intermolecolari che tengono insieme liquidi e solidi e conferiscono loro le loro proprietà caratteristiche.
Nei liquidi, le forze intermolecolari sono ancora troppo deboli per mantenere le molecole in posizione. Le molecole hanno energia sufficiente per creare e rompere ripetutamente i legami intermolecolari, scivolando l'una sull'altra e assumendo la forma del loro contenitore. Ad esempio, in acqua, le molecole bipolari sono costituite da un atomo di ossigeno con carica negativa e due atomi di idrogeno con carica positiva. I dipoli d'acqua formano forti legami idrogeno che tengono insieme le molecole d'acqua. Di conseguenza, l'acqua ha un'elevata tensione superficiale, un elevato calore di vaporizzazione e un punto di ebollizione relativamente alto per il peso della molecola.
Nei solidi, gli atomi hanno troppa poca energia per rompere i legami delle forze intermolecolari e sono tenuti insieme con poco movimento. Oltre alle forze di Van der Waals, il comportamento delle molecole dei solidi può essere influenzato da altre forze intermolecolari, come quelle che formano legami ionici o metallici. Le forze trattengono le molecole dei solidi in reticoli cristallini come i diamanti, in metalli come il rame, in solidi omogenei come il vetro o in solidi flessibili come la plastica. Mentre i forti legami chimici che tengono insieme gli atomi nelle molecole determinano le caratteristiche chimiche dei materiali, le forze intermolecolari comprese le forze di Van der Waals influenzano la fisica caratteristiche.