Eigenschaften und Komponenten der Van-der-Waals-Kräfte

Van-der-Waals-Kräfte sind die schwachen Kräfte, die zur intermolekularen Bindung zwischen Molekülen beitragen. Moleküle besitzen von Natur aus Energie und ihre Elektronen sind immer in Bewegung. Daher führen transiente Elektronenkonzentrationen in der einen oder anderen Region dazu, dass elektrisch positive Regionen eines Moleküls von den Elektronen eines anderen Moleküls angezogen werden. In ähnlicher Weise werden negativ geladene Regionen eines Moleküls durch negativ geladene Regionen eines anderen Moleküls abgestoßen.

Van-der-Waals-Kräfte sind die Summe der anziehenden und abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen Atomen und Molekülen. Diese Kräfte unterscheiden sich von der kovalenten und ionischen chemischen Bindung, weil sie aus Schwankungen der Ladungsdichte von Partikeln resultieren. Beispiele für Van-der-Waals-Kräfte sind Wasserstoffbrückenbindungen, Dispersionskräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.

Wichtige Imbissbuden: Van der Waals-Streitkräfte

• Van-der-Waals-Kräfte sind entfernungsabhängige Kräfte zwischen Atomen und Molekülen, die nicht mit kovalenten oder ionischen chemischen Bindungen assoziiert sind.
• Manchmal wird der Begriff verwendet, um alle intermolekularen Kräfte zu erfassen, obwohl einige Wissenschaftler nur die Londoner Dispersionskraft, die Debye-Kraft und die Keesom-Kraft einbeziehen.
• Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten der chemischen Kräfte, spielen jedoch immer noch eine wichtige Rolle für die Eigenschaften von Molekülen und für die Oberflächenforschung.

Eigenschaften der Van-der-Waals-Streitkräfte

Bestimmte Merkmale werden von van der Waals-Kräften angezeigt:

• Sie sind additiv.
• Sie sind schwächer als ionische oder kovalente chemische Bindungen.
• Sie sind nicht gerichtet.
• Sie wirken nur auf sehr kurze Distanz. Die Wechselwirkung ist größer, wenn Moleküle näher kommen.
• Sie sind mit Ausnahme der Dipol-Dipol-Wechselwirkungen temperaturunabhängig.

Komponenten der Van-der-Waals-Streitkräfte

Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten intermolekularen Kräfte. Ihre Festigkeit reicht typischerweise von 0,4 Kilojoule pro Mol (kJ / mol) bis 4 kJ / mol und wirkt über Entfernungen von weniger als 0,6 Nanometern (nm). Wenn der Abstand weniger als 0,4 nm beträgt, ist der Nettoeffekt der Kräfte abstoßend, da sich Elektronenwolken gegenseitig abstoßen.

Es gibt vier wichtige Beiträge zu van der Waals Streitkräften:

1. Eine negative Komponente verhindert das Kollabieren von Molekülen. Dies ist auf das Pauli-Ausschlussprinzip zurückzuführen.
2. Zwischen permanenten Ladungen, Dipolen, Quadrupolen und Multipolen tritt entweder eine attraktive oder eine abstoßende elektrostatische Wechselwirkung auf. Diese Wechselwirkung wird Keesom-Wechselwirkung oder Keesom-Kraft genannt, benannt nach Willem Hendrik Keesom.
3. Induktion oder Polarisation tritt auf. Dies ist eine anziehende Kraft zwischen einer permanenten Polarität an einem Molekül und einer induzierten Polarität an einem anderen. Diese Wechselwirkung wird für Peter J.W. Debye-Kraft genannt. Debye.
4. Die Londoner Dispersionskraft ist die Anziehungskraft zwischen einem Molekülpaar aufgrund der augenblicklichen Polarisation. Die Truppe ist nach Fritz London benannt. Es ist zu beachten, dass selbst unpolare Moleküle eine Dispersion in London erfahren.

Van der Waals-Kräfte, Geckos und Arthropoden

Geckos, Insekten und einige Spinnen haben auf ihren Fußpolstern Setzstellen, mit denen sie auf extrem glatten Oberflächen wie Glas klettern können. Tatsächlich kann ein Gecko sogar an einem einzigen Zeh hängen! Wissenschaftler haben mehrere Erklärungen für das Phänomen angeboten, aber es stellt sich heraus, dass die Hauptursache für die Adhäsion, mehr als die Van-der-Waals-Kräfte oder die Kapillarwirkung, die elektrostatische Kraft ist.

Forscher haben trockenen Kleber und Klebeband basierend auf der Analyse von Gecko- und Spinnenfüßen hergestellt. Die Klebrigkeit resultiert aus winzigen klettartigen Haaren und Lipiden, die auf Geckofüßen zu finden sind.

Geckofüße sind aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte, der elektrostatischen Kräfte und der Lipide, die sich auf ihrer Haut befinden, klebrig. StephanHoerold / Getty Images

Real-Life-Spider-Man

2014 testete die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ihr Gecko-inspiriertes Geckskin, ein Material, das auf Gecko-Fußpolstern basiert und militärischem Personal Spider-Man-ähnliche Fähigkeiten verleihen soll. Ein 220-Pfund-Forscher, der weitere 45 Pfund Ausrüstung trug, erklomm erfolgreich eine 26-Fuß-Glaswand mit zwei Kletterpaddeln.

Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, mit Van-der-Waals-Kräften Menschen beim Festhalten an glatten Oberflächen wie Glas und Wänden zu unterstützen. OrangeDukeProductions / Getty Images

Quellen

• Kellar, Autumn et al. "Beweise für die Van-der-Waals-Adhäsion in Gecko Setae." Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften, vol. 99, nein. 19, 2002, 12252-6. doi: 10.1073 / pnas.192252799.
• Dzyaloshinskii, I. E., et al. "Allgemeine Theorie der Kräfte von Van der Waals." Sowjetische Physik Uspekhi, vol. 4, nein. 2, 1961. doi: 10.1070 / PU1961v004n02ABEH003330.
• Israelachvili, J. Intermolekulare und Oberflächenkräfte. Akademische Presse, 1985.
• Parsegian, V. A. Van der Waals Forces: Ein Handbuch für Biologen, Chemiker, Ingenieure und Physiker. Cambridge University Press, 2005.
• Wolff, J. O., Gorb, S. N. "Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Bindungsfähigkeit der Spinne Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae). " Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaften, vol. 279, nein. 1726, 2011. doi: 10.1098 / rspb.2011.0505.