Fuerzas de Van der Waals

La van der Waals ecuaci??n es una ecuaci??n de estado que se pueden derivar de una forma especial de potencial entre un par de mol??culas (hard-esfera de repulsi??n y R ^-6 van der Waals atracci??n).

En qu??mica f??sica, el nombre de van der Waals fuerza se refiere a las fuerzas de atracci??n o de repulsi??n entre las mol??culas (o entre las partes de la misma mol??cula) distintos de los debidos a Los enlaces covalentes o a la interacci??n electrost??tica de iones entre s?? o con mol??culas neutras. El t??rmino incluye: dipolo-dipolo, dipolo inducido-dipolo y Londres (dipolo inducido-dipolo inducido fuerzas instant??neo). Tambi??n se usa en ocasiones como sin??nimo de la totalidad de las fuerzas intermoleculares. Fuerzas de Van der Waals son relativamente d??biles en comparaci??n con los enlaces qu??micos normales, sino que desempe??an un papel fundamental en campos tan diversos como la qu??mica supramolecular, biolog??a estructural, ciencia de los pol??meros, nanotecnolog??a, la ciencia de superficies, y la f??sica de la materia condensada .

Definici??n

Fuerzas de Van der Waals incluyen atracciones moment??neas entre las mol??culas, elementos libres diat??micas y ??tomos individuales. Se diferencian de covalente y enlace i??nico en que no son estables, pero son causados por la polarizaci??n moment??nea de part??culas. Debido a que los electrones no tienen posici??n fija en la estructura de un ??tomo o mol??cula, sino que est??n distribuidos de una manera probabil??stica basada en la probabilidad cu??ntica, existe una probabilidad no despreciable de que los electrones no se distribuyen uniformemente y por lo tanto sus cargas el??ctricas no son uniformemente distribuida. Ver ecuaci??n de Schr??dinger para las teor??as sobre las funciones de onda y descripciones de posici??n y velocidad de las part??culas cu??nticas.

Para explicar esto, nos referimos al art??culo 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:

1. Las interacciones electrost??ticas entre las cargas (en el caso de los iones moleculares), dipolos (en el caso de mol??culas sin centro de inversi??n), cuadrupolos (todas las mol??culas con simetr??a menor que c??bico), y en general entre multipolos permanentes. La interacci??n electrost??tica a veces se llama interacci??n Keesom o fuerza Keesom despu??s Willem Hendrik Keesom.
2. La segunda fuente de atracci??n es la inducci??n (tambi??n conocido como polarizaci??n), que es la interacci??n entre un multipolar permanente en una mol??cula con una multipolar inducida en otro. Esta interacci??n se mide a veces en debyes despu??s Peter JW Debye.
3. La tercera atracci??n por lo general se nombra despu??s Fritz Londres que ??l mismo lo llam?? dispersi??n. Esta es la ??nica atracci??n experimentada por ??tomos de gases nobles , pero es operativa entre cualquier par de mol??culas, con independencia de su simetr??a.

Volviendo a la nomenclatura: algunos textos significan por el van der Waals forzar la totalidad de las fuerzas de repulsi??n (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 t??rmino "fuerza de van der Waals" ??nicamente como sin??nimo de la / fuerza de dispersi??n Londres. As?? que, si te encuentras con el t??rmino "fuerza de van der Waals", es importante verificar en qu?? escuela de pensamiento pertenece el autor.

Todas las fuerzas intermoleculares / van der Waals son anisotr??pico (excepto los que entre dos ??tomos de gases nobles), lo que significa que dependen de la orientaci??n relativa de las mol??culas. Las interacciones de inducci??n y dispersi??n son siempre atractivas, independientemente de la orientaci??n, pero la interacci??n electrost??tica cambia de signo despu??s de la rotaci??n de las mol??culas. Es decir, la fuerza electrost??tica puede ser atractiva o repulsiva, dependiendo de la orientaci??n mutua de las mol??culas. Cuando las mol??culas est??n en movimiento t??rmico, como lo son en el gas y la fase l??quida, la fuerza electrost??tica se promedia a cabo en gran medida, debido a que las mol??culas rotan t??rmicamente y por lo tanto la sonda partes tanto repulsivas y atractivas de la fuerza electrost??tica. A veces, este efecto se expresa por la afirmaci??n de que "el movimiento t??rmico aleatorio alrededor de la temperatura ambiente por lo general puede vencer o interrumpir ellos" (que se refiere al componente electrost??tica de la fuerza de van der Waals). Claramente, el efecto de promediaci??n t??rmica es mucho menos pronunciado para los atractivos de inducci??n y de dispersi??n de fuerzas.

La Potencial de Lennard-Jones se utiliza a menudo como un modelo aproximado para la parte isotr??pica de un total (repulsi??n m??s atracci??n) van der Waals fuerza como una funci??n de la distancia.

Fuerzas de Van der Waals son responsables de algunos casos de ampliaci??n de presi??n ( van der Waals ampliaci??n) de las l??neas espectrales y la formaci??n de van der Waals mol??culas.

Ver este URL para una descripci??n introductoria de la fuerza de van der Waals (como una suma de s??lo componentes atractivos).

Fuerzas de dispersi??n de London

Energ??a de interacci??n de arg??n d??mero. La parte a largo plazo es debido a las fuerzas de dispersi??n de London

Fuerzas de dispersi??n de London, lleva el nombre del f??sico alem??n-americano Fritz London, son d??bil fuerzas intermoleculares que surgen de la fuerza de atracci??n entre transitoria dipolos (o mejores multipolos) en mol??culas sin permanente momentos multipolares. Las fuerzas de dispersi??n de London tambi??n se conocen como fuerzas de dispersi??n, fuerzas de London o fuerzas dipolo-dipolo inducido.

Fuerzas de London pueden ser exhibidos por las mol??culas no polares porque la densidad de electrones se mueve sobre una mol??cula probabil??sticamente (ver teor??a de la mec??nica cu??ntica de las fuerzas de dispersi??n). Hay una alta probabilidad de que la densidad de electrones no se distribuir?? uniformemente a trav??s de una mol??cula no polar. Cuando se produce una distribuci??n desigual, se crea un multipolar temporal. Este multipolar puede interactuar con otros multipolos cercanas. Fuerzas de London son tambi??n presentar en polares mol??culas , pero son por lo general s??lo una peque??a parte de la fuerza total interacci??n.

La densidad de electrones en una mol??cula puede ser redistribuido por la proximidad a otro multipolar. Los electrones se reunir??n en el lado de una mol??cula que se enfrenta a una carga positiva y se retirar?? a partir de una carga negativa. Por lo tanto, un multipolar transitoria se puede producir por una mol??cula polar, o incluso por un multipolar transitoria en otra mol??cula no polar.

En el vac??o, fuerzas de London son m??s d??biles que otros fuerzas intermoleculares tales como interacciones i??nicas, enlaces de hidr??geno, o interacciones dipolo-dipolo permanentes.

Este fen??meno es la ??nica fuerza intermolecular atractiva a grandes distancias entre los ??tomos neutros (por ejemplo, helio ), y es la principal fuerza de atracci??n entre las mol??culas no polares (por ejemplo, nitr??geno o metano ). Sin fuerzas de London, no habr??a ninguna fuerza de atracci??n entre gases nobles ??tomos, y no pod??an entonces ser obtenido en una forma l??quida.

Fuerzas de London se hacen m??s fuertes como el ??tomo (o mol??cula) en cuesti??n se hace m??s grande. Esto es debido a la mayor polarizabilidad de mol??culas m??s grandes, con nubes de electrones m??s dispersos. Esta tendencia se ejemplifica con los hal??genos (de menor a mayor: F _2, Cl _2, Br _2, I _2). El fl??or y cloro son los gases a temperatura ambiente, el bromo es un l??quido, y el yodo es un s??lido. Las fuerzas de Londres tambi??n se hacen m??s fuertes con una mayor cantidad de superficie de contacto. Mayor superficie significa una interacci??n m??s estrecha entre los diferentes mol??culas.

Relaci??n con el efecto Casimir

Las fuerzas de London-van der Waals se relaciona con el efecto Casimir para los medios diel??ctricos, el primero la descripci??n microsc??pica de la propiedad mayor ??ltimo. Los primeros c??lculos detallados de este se hicieron en 1955 por EM Lifshitz.

Para una mayor investigaci??n, se puede consultar la Universidad de St. Andrews trabajo levitaci??n 'en un art??culo de divulgaci??n: Science Journal: Nueva forma de levitar objetos descubiertos, y en una versi??n m??s acad??mica: New Journal of Physics: la levitaci??n cu??ntica por metamateriales zurdos, que se refieren el efecto Casimir a la lagartija y c??mo la reversi??n del efecto Casimir puede resultar en levitaci??n f??sica de los objetos diminutos.

Utilice por animales

Gecko vidrio escalada utilizando sus recursos naturales setas

La capacidad de geckos para subir en superficies escarpadas se ha atribuido a fuerza de van der Waals. Un estudio reciente sugiere que las mol??culas de agua de aproximadamente el grosor de monocapa (presente en todas las superficies) tambi??n juegan un papel .. Sin embargo, un gecko puede colgar en una superficie de vidrio usando s??lo un dedo del pie. Contin??an los esfuerzos para crear una "cinta gecko" sint??tico que explota este conocimiento. Hasta el momento, la investigaci??n ha producido algunos resultados prometedores - las primeras investigaciones se obtuvo un producto de cinta adhesiva, que s??lo obtiene una fracci??n de las fuerzas medidas a partir del material natural, y la nueva investigaci??n est??n siendo desarrollados con el objetivo de que ofrece 200 veces las fuerzas adhesivas del material natural. Los investigadores del Instituto Polit??cnico Rensselaer y la Universidad de Akron anunci?? en un art??culo publicado en el 18 a 22 junio 2007 cuesti??n de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias que han creado una "cinta gecko" sint??tico 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 sint??tica para subir por las paredes.