Siły Van der Waalsa tworzą wiązania elektrostatyczne między cząsteczkami. Wiązania międzycząsteczkowe, w tym wiązania Van der Waalsa, utrzymują cząsteczki razem w cieczach i ciałach stałych i są odpowiedzialne za zjawiska takie jak napięcie powierzchniowe w cieczach i kryształach w ciałach stałych. Siły międzycząsteczkowe są znacznie słabsze niż siły wewnętrzne, które utrzymują atomy w cząsteczkach, ale wciąż są wystarczająco silne, aby wpływać na zachowanie i właściwości wielu materiałów.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Siły elektrostatyczne Van de Waalsa działają między cząsteczkami, tworząc słabe wiązania. Rodzaje sił Van der Waalsa, najsilniejsze do najsłabszych, to siły dipol-dipol, siły dipolowe indukowane dipolem i siły dyspersyjne Londona. Wiązanie wodorowe opiera się na rodzaju siły dipol-dipol, która jest szczególnie silna. Siły te pomagają określić właściwości fizyczne materiałów.
Rodzaje sił Van der Waalsa
Trzy typy sił Van der Waalsa, najsilniejsze do najsłabszych, to siły dipol-dipol, siły dipolowe indukowane dipolem i siły dyspersyjne Londona. Dipole to polarne molekuły z ujemnie i dodatnio naładowanymi biegunami na przeciwległych końcach molekuły. Biegun ujemny jednej cząsteczki przyciąga biegun dodatni innej cząsteczki, tworząc elektrostatyczne wiązanie dipol-dipol.
Kiedy naładowana cząsteczka dipola zbliża się do cząsteczki obojętnej, indukuje przeciwny ładunek w cząsteczce obojętnej, a przeciwne ładunki przyciągają się, tworząc indukowane dipolem wiązanie dipolowe. Kiedy dwie obojętne cząsteczki stają się tymczasowymi dipolami, ponieważ ich elektrony gromadzą się po jednej stronie cząsteczki, obojętne cząsteczki są przyciągane przez siły elektrostatyczne zwane siłami dyspersyjnymi Londynu i mogą tworzyć odpowiedni więź.
Siły dyspersyjne Londona są słabe w małych cząsteczkach, ale zwiększają siłę w większych cząsteczkach, gdzie wiele elektronów jest stosunkowo daleko od dodatnio naładowanego jądra i może się swobodnie poruszać na około. W rezultacie mogą one gromadzić się w sposób asymetryczny wokół cząsteczki, tworząc chwilowy efekt dipolowy. W przypadku dużych cząsteczek, siły dyspersyjne Londynu stają się istotnym czynnikiem ich zachowania.
Gdy cząsteczka dipola zawiera atom wodoru, może tworzyć szczególnie silne wiązanie dipol-dipol, ponieważ atom wodoru jest mały, a ładunek dodatni jest skoncentrowany. Zwiększona siła wiązania sprawia, że jest to szczególny przypadek zwany wiązaniem wodorowym.
Jak siły Van der Waalsa wpływają na materiały
W gazach w temperaturze pokojowej cząsteczki są zbyt daleko od siebie i mają zbyt dużo energii, aby mogły na nie oddziaływać międzycząsteczkowe siły Van der Waalsa. Siły te stają się ważne dla cieczy i ciał stałych, ponieważ cząsteczki mają mniej energii i są bliżej siebie. Siły Van der Waalsa należą do sił międzycząsteczkowych, które łączą ze sobą ciecze i ciała stałe i nadają im charakterystyczne właściwości.
W cieczach siły międzycząsteczkowe są nadal zbyt słabe, aby utrzymać cząsteczki na miejscu. Cząsteczki mają wystarczająco dużo energii, aby wielokrotnie tworzyć i rozrywać wiązania międzycząsteczkowe, przesuwając się obok siebie i przybierając postać swojego pojemnika. Na przykład w wodzie dwubiegunowe cząsteczki składają się z ujemnie naładowanego atomu tlenu i dwóch dodatnio naładowanych atomów wodoru. Dipole wody tworzą silne wiązania wodorowe utrzymujące razem cząsteczki wody. W rezultacie woda ma wysokie napięcie powierzchniowe, wysokie ciepło parowania i stosunkowo wysoką temperaturę wrzenia w stosunku do masy cząsteczki.
W ciałach stałych atomy mają zbyt mało energii, aby zerwać wiązania sił międzycząsteczkowych i są utrzymywane razem przy niewielkim ruchu. Oprócz sił Van der Waalsa na zachowanie cząsteczek ciał stałych mogą wpływać inne siły międzycząsteczkowe, takie jak te, które tworzą wiązania jonowe lub metaliczne. Siły utrzymują cząsteczki ciał stałych w sieciach krystalicznych, takich jak diamenty, w metalach, takich jak miedź, w jednorodnych ciałach stałych, takich jak szkło, lub w elastycznych ciałach stałych, takich jak tworzywa sztuczne. Podczas gdy silne wiązania chemiczne, które łączą atomy w cząsteczkach, określają właściwości chemiczne materiałów, siły międzycząsteczkowe, w tym siły Van der Waalsa, wpływają na fizyczne cechy.