איך כוחות ואן דר וולס מחזיקים מולקולות יחד?

כוחות ואן דר וואל יוצרים קשרים אלקטרוסטטיים בין מולקולות. קשרים בין מולקולריים כולל קשרים של ואן דר וואלס מחזיקים את המולקולות יחד בנוזלים ומוצקים ואחראים לתופעות כמו מתח השטח בנוזלים וגבישים במוצקים. הכוחות הבין מולקולריים חלשים בהרבה מהכוחות הפנימיים המחזיקים אטומים במולקולות, אך הם עדיין חזקים מספיק בכדי להשפיע על התנהגותם ותכונותיהם של חומרים רבים.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

כוחות ואן דה וואל אלקטרוסטטיים פועלים בין מולקולות ליצירת קשרים חלשים. סוגי כוחות ואן דר וואלס, החזקים לחלשים ביותר, הם כוחות דיפול-דיפול, כוחות דיפול המושרים על ידי דיפול וכוחות הפיזור הלונדוניים. קשר המימן מבוסס על סוג של כוח דיפול דיפול חזק במיוחד. כוחות אלה מסייעים בקביעת המאפיינים הפיזיים של חומרים.

שלושה סוגים של כוחות ואן דר וואלס, החזקים לחלשים ביותר, הם כוחות דיפול דיפול, כוחות דיפול המושרים על ידי דיפול וכוחות פיזור לונדון. דיפולות הן מולקולות קוטביות עם קטבים טעונים שלילית וחיובית בקצוות מנוגדים של המולקולה. הקוטב השלילי של מולקולה אחת מושך את הקוטב החיובי של מולקולה אחרת ויוצר קשר דיפול-דיפול אלקטרוסטטי.

כאשר מולקולת דיפול טעונה מתקרבת למולקולה ניטרלית, היא גורמת מטען הפוך במולקולה הנייטרלית, והמטענים ההפוכים מושכים ויוצרים קשר דיפול המושרה על ידי דיפול. כששתי מולקולות ניטרליות הופכות לדיפולים זמניים מכיוון שהאלקטרונים שלהם מתאספים בצד אחד של המולקולה, ה- מולקולות נייטרליות נמשכות בכוחות אלקטרוסטטיים הנקראים כוחות פיזור לונדון, והם יכולים ליצור מקביל אגרת חוב.

כוחות הפיזור הלונדוניים חלשים במולקולות קטנות, אך הם גדלים בכוחם במולקולות גדולות יותר שם רבים מהאלקטרונים רחוקים יחסית מהגרעין הטעון באופן חיובי והם חופשיים לנוע סְבִיב. כתוצאה מכך, הם עשויים להתאסף בצורה לא סימטרית סביב המולקולה, וליצור את אפקט הדיפול הזמני. עבור מולקולות גדולות, כוחות הפיזור הלונדוניים הופכים לגורם משמעותי בהתנהגותם.

כאשר מולקולת דיפול כוללת אטום מימן, היא יכולה ליצור קשר דיפול-דיפול חזק במיוחד, מכיוון שאטום המימן קטן והמטען החיובי מרוכז. החוזק המוגבר של הקשר הופך את זה למקרה מיוחד הנקרא קשר מימן.

בגזים בטמפרטורת החדר, מולקולות מרוחקות מדי ויש להם יותר מדי אנרגיה כדי להיות מושפעת מכוחות ואן דר וולס הבין-מולקולריים. כוחות אלה הופכים חשובים לנוזלים ומוצקים מכיוון שלמולקולות יש פחות אנרגיה והן קרובות יותר זו לזו. כוחות ואן דר וואל הם בין הכוחות הבין מולקולריים המחזיקים נוזלים ומוצקים יחד ומעניקים להם את תכונותיהם האופייניות.

בנוזלים, הכוחות הבין-מולקולריים עדיין חלשים מכדי להחזיק את המולקולות במקום. למולקולות יש מספיק אנרגיה בכדי ליצור ולשבור שוב ושוב את הקשרים הבין מולקולריים, מחליקים זה על פני זה ומקבלים את צורת המיכל שלהם. לדוגמא, במים, מולקולות הביפול מורכבות מאטום חמצן בעל טעינה שלילית ושני אטומי מימן טעונים חיובית. דיפולות המים יוצרות קשרי מימן חזקים המחזיקים את מולקולות המים יחד. כתוצאה מכך יש למים מתח פנים גבוה, חום אידוי גבוה ונקודת רתיחה גבוהה יחסית למשקל המולקולה.

במוצקים, לאטומים יש מעט מדי אנרגיה כדי לשבור את קשרי הכוחות הבין מולקולריים, והם מוחזקים בתנועה מועטה. בנוסף לכוחות ואן דר וואלס, ההתנהגות של מולקולות המוצקים עשויה להיות מושפעת מכוחות בין-מולקולריים אחרים, כמו אלה היוצרים קשרים יוניים או מתכתיים. הכוחות מחזיקים את מולקולות המוצקים בסריגי קריסטל כמו יהלומים, במתכות כמו נחושת, במוצקים הומוגניים כמו זכוכית או במוצקים גמישים כמו פלסטיק. בעוד שקשרים כימיים חזקים המחזיקים אטומים במולקולות קובעים את המאפיינים הכימיים של חומרים, הכוחות הבין-מולקולריים כולל כוחות ואן דר וואלס משפיעים על הפיזי מאפיינים.