Fuerzas de Van der Waals
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- La van der Waals ecuación es una ecuación de estado que se pueden derivar de una forma especial de potencial entre un par de moléculas (hard-esfera de repulsión y R -6 van der Waals atracción).
En química física, el nombre de van der Waals fuerza se refiere a las fuerzas de atracción o de repulsión entre las moléculas (o entre las partes de la misma molécula) distintos de los debidos a Los enlaces covalentes o a la interacción electrostática de iones entre sí o con moléculas neutras. El término incluye: dipolo-dipolo, dipolo inducido-dipolo y Londres (dipolo inducido-dipolo inducido fuerzas instantáneo). También se usa en ocasiones como sinónimo de la totalidad de las fuerzas intermoleculares. Fuerzas de Van der Waals son relativamente débiles en comparación con los enlaces químicos normales, sino que desempeñan un papel fundamental en campos tan diversos como la química supramolecular, biología estructural, ciencia de los polímeros, nanotecnología, la ciencia de superficies, y la física de la materia condensada .
Definición
Fuerzas de Van der Waals incluyen atracciones momentáneas entre las moléculas, elementos libres diatómicas y átomos individuales. Se diferencian de covalente y enlace iónico en que no son estables, pero son causados por la polarización momentánea de partículas. Debido a que los electrones no tienen posición fija en la estructura de un átomo o molécula, sino que están distribuidos de una manera probabilística basada en la probabilidad cuántica, existe una probabilidad no despreciable de que los electrones no se distribuyen uniformemente y por lo tanto sus cargas eléctricas no son uniformemente distribuida. Ver ecuación de Schrödinger para las teorías sobre las funciones de onda y descripciones de posición y velocidad de las partículas cuánticas.
Para explicar esto, nos referimos al artículo sobre fuerzas intermoleculares, donde se discute que una fuerza intermolecular tiene cuatro contribuciones principales. En general un potencial intermolecular tiene una parte repulsiva, prohibiendo el colapso de complejos moleculares, y una parte atractiva. La parte atractiva, a su vez, se compone de tres contribuciones distintas:
- Las interacciones electrostáticas entre las cargas (en el caso de los iones moleculares), dipolos (en el caso de moléculas sin centro de inversión), cuadrupolos (todas las moléculas con simetría menor que cúbico), y en general entre multipolos permanentes. La interacción electrostática a veces se llama interacción Keesom o fuerza Keesom después Willem Hendrik Keesom.
- La segunda fuente de atracción es la inducción (también conocido como polarización), que es la interacción entre un multipolar permanente en una molécula con una multipolar inducida en otro. Esta interacción se mide a veces en debyes después Peter JW Debye.
- La tercera atracción por lo general se nombra después Fritz Londres que él mismo lo llamó dispersión. Esta es la única atracción experimentada por átomos de gases nobles , pero es operativa entre cualquier par de moléculas, con independencia de su simetría.
Volviendo a la nomenclatura: algunos textos significan por el van der Waals forzar la totalidad de las fuerzas de repulsión (incluida), otros, todas las fuerzas atractivas (y luego a veces distinguen van der Waals-Keesom, van der Waals-Debye, y van der Waals- Londres), y, finalmente, algunos utilizan el término "fuerza de van der Waals" únicamente como sinónimo de la / fuerza de dispersión Londres. Así que, si te encuentras con el término "fuerza de van der Waals", es importante verificar en qué escuela de pensamiento pertenece el autor.
Todas las fuerzas intermoleculares / van der Waals son anisotrópico (excepto los que entre dos átomos de gases nobles), lo que significa que dependen de la orientación relativa de las moléculas. Las interacciones de inducción y dispersión son siempre atractivas, independientemente de la orientación, pero la interacción electrostática cambia de signo después de la rotación de las moléculas. Es decir, la fuerza electrostática puede ser atractiva o repulsiva, dependiendo de la orientación mutua de las moléculas. Cuando las moléculas están en movimiento térmico, como lo son en el gas y la fase líquida, la fuerza electrostática se promedia a cabo en gran medida, debido a que las moléculas rotan térmicamente y por lo tanto la sonda partes tanto repulsivas y atractivas de la fuerza electrostática. A veces, este efecto se expresa por la afirmación de que "el movimiento térmico aleatorio alrededor de la temperatura ambiente por lo general puede vencer o interrumpir ellos" (que se refiere al componente electrostática de la fuerza de van der Waals). Claramente, el efecto de promediación térmica es mucho menos pronunciado para los atractivos de inducción y de dispersión de fuerzas.
La Potencial de Lennard-Jones se utiliza a menudo como un modelo aproximado para la parte isotrópica de un total (repulsión más atracción) van der Waals fuerza como una función de la distancia.
Fuerzas de Van der Waals son responsables de algunos casos de ampliación de presión ( van der Waals ampliación) de las líneas espectrales y la formación de van der Waals moléculas.
Ver este URL para una descripción introductoria de la fuerza de van der Waals (como una suma de sólo componentes atractivos).
Fuerzas de dispersión de London
Fuerzas de dispersión de London, lleva el nombre del físico alemán-americano Fritz London, son débil fuerzas intermoleculares que surgen de la fuerza de atracción entre transitoria dipolos (o mejores multipolos) en moléculas sin permanente momentos multipolares. Las fuerzas de dispersión de London también se conocen como fuerzas de dispersión, fuerzas de London o fuerzas dipolo-dipolo inducido.
Fuerzas de London pueden ser exhibidos por las moléculas no polares porque la densidad de electrones se mueve sobre una molécula probabilísticamente (ver teoría de la mecánica cuántica de las fuerzas de dispersión). Hay una alta probabilidad de que la densidad de electrones no se distribuirá uniformemente a través de una molécula no polar. Cuando se produce una distribución desigual, se crea un multipolar temporal. Este multipolar puede interactuar con otros multipolos cercanas. Fuerzas de London son también presentar en polares moléculas , pero son por lo general sólo una pequeña parte de la fuerza total interacción.
La densidad de electrones en una molécula puede ser redistribuido por la proximidad a otro multipolar. Los electrones se reunirán en el lado de una molécula que se enfrenta a una carga positiva y se retirará a partir de una carga negativa. Por lo tanto, un multipolar transitoria se puede producir por una molécula polar, o incluso por un multipolar transitoria en otra molécula no polar.
En el vacío, fuerzas de London son más débiles que otros fuerzas intermoleculares tales como interacciones iónicas, enlaces de hidrógeno, o interacciones dipolo-dipolo permanentes.
Este fenómeno es la única fuerza intermolecular atractiva a grandes distancias entre los átomos neutros (por ejemplo, helio ), y es la principal fuerza de atracción entre las moléculas no polares (por ejemplo, nitrógeno o metano ). Sin fuerzas de London, no habría ninguna fuerza de atracción entre gases nobles átomos, y no podían entonces ser obtenido en una forma líquida.
Fuerzas de London se hacen más fuertes como el átomo (o molécula) en cuestión se hace más grande. Esto es debido a la mayor polarizabilidad de moléculas más grandes, con nubes de electrones más dispersos. Esta tendencia se ejemplifica con los halógenos (de menor a mayor: F 2, Cl 2, Br 2, I 2). El flúor y cloro son los gases a temperatura ambiente, el bromo es un líquido, y el yodo es un sólido. Las fuerzas de Londres también se hacen más fuertes con una mayor cantidad de superficie de contacto. Mayor superficie significa una interacción más estrecha entre los diferentes moléculas.
Relación con el efecto Casimir
Las fuerzas de London-van der Waals se relaciona con el efecto Casimir para los medios dieléctricos, el primero la descripción microscópica de la propiedad mayor último. Los primeros cálculos detallados de este se hicieron en 1955 por EM Lifshitz.
Para una mayor investigación, se puede consultar la Universidad de St. Andrews trabajo levitación 'en un artículo de divulgación: Science Journal: Nueva forma de levitar objetos descubiertos, y en una versión más académica: New Journal of Physics: la levitación cuántica por metamateriales zurdos, que se refieren el efecto Casimir a la lagartija y cómo la reversión del efecto Casimir puede resultar en levitación física de los objetos diminutos.
Utilice por animales
La capacidad de geckos para subir en superficies escarpadas se ha atribuido a fuerza de van der Waals. Un estudio reciente sugiere que las moléculas de agua de aproximadamente el grosor de monocapa (presente en todas las superficies) también juegan un papel .. Sin embargo, un gecko puede colgar en una superficie de vidrio usando sólo un dedo del pie. Continúan los esfuerzos para crear una "cinta gecko" sintético que explota este conocimiento. Hasta el momento, la investigación ha producido algunos resultados prometedores - las primeras investigaciones se obtuvo un producto de cinta adhesiva, que sólo obtiene una fracción de las fuerzas medidas a partir del material natural, y la nueva investigación están siendo desarrollados con el objetivo de que ofrece 200 veces las fuerzas adhesivas del material natural. Los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer y la Universidad de Akron anunció en un artículo publicado en el 18 a 22 junio 2007 cuestión de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias que han creado una "cinta gecko" sintético con cuatro veces la potencia de pegarse un pie gecko natural.
Investigadores de Universidad de Stanford y Universidad Carnegie Mellon han desarrollado recientemente una lagartija similar robot que utiliza setas sintética para subir por las paredes.
