范德瓦尔斯力:特性和分量

范德华力是导致分子间键合的弱力。分子本身具有能量,并且它们的电子总是在运动,因此电子在一个区域或另一个区域的瞬时集中导致分子的正电荷区域被另一个分子的电子吸引。类似地,一个分子的负电荷区域被另一个分子的负电荷区域排斥。...

范德华力是导致分子间键合的弱力。分子本身具有能量,并且它们的电子总是在运动,因此电子在一个区域或另一个区域的瞬时集中导致分子的正电荷区域被另一个分子的电子吸引。类似地,一个分子的负电荷区域被另一个分子的负电荷区域排斥。

Molecules have energy, so they are always in motion. This generates electric dipoles.

范德华力是原子和分子之间的吸引力和排斥力的总和。这些力不同于共价键和离子化学键,因为它们是粒子电荷密度波动的结果。范德华力的例子包括氢键、色散力和偶极-偶极相互作用。

主要收获:范德瓦尔斯部队

  • 范德华力是原子和分子之间与距离有关的力,与共价键或离子化学键无关。
  • 有时,这个术语被用来涵盖所有的分子间作用力,尽管一些科学家只包括其中的伦敦色散力、德拜力和基松力。
  • 范德华力是化学力中最弱的一种,但它们仍然在分子性质和表面科学中发挥着重要作用。

范德华力的性质

范德华力显示了某些特征:

  • 它们是添加剂。
  • 它们弱于离子或共价化学键。
  • 它们不是定向的。
  • 它们只在很短的范围内起作用。分子越靠近,相互作用越大。
  • 除偶极-偶极相互作用外,它们与温度无关。

范德华力的分量

范德华力是最弱的分子间力。它们的强度通常在0.4千焦耳/摩尔(kJ/mol)到4千焦耳/摩尔之间,作用距离小于0.6纳米(nm)。当距离小于0.4nm时,由于电子云相互排斥,作用力的净效应是排斥的。

范德瓦尔斯部队有四大贡献:

  1. 负性成分可以防止分子坍塌。这是由于泡利不相容原理。
  2. 永久电荷、偶极子、四极子和多极子之间发生吸引或排斥静电相互作用。这种相互作用称为Keesom相互作用或Keesom力,以Willem Hendrik Keesom命名。
  3. 发生感应或极化。这是一个分子上的永久极性和另一个分子上的诱导极性之间的吸引力。这种相互作用被称为德拜力,对彼得J.W.德拜来说。
  4. 伦敦色散力是任何一对分子之间由于瞬时极化而产生的吸引力。这支部队以弗里茨·伦敦的名字命名。注意,即使是非极性分子也会经历伦敦色散。

范德华力、壁虎和节肢动物

壁虎、昆虫和一些蜘蛛的脚垫上有刚毛,使它们能够爬上极其光滑的表面,如玻璃。事实上,壁虎甚至可以单趾悬挂!科学家们对这一现象提供了多种解释,但事实证明,产生粘附的主要原因,比范德华力或毛细管作用更重要的是静电力。

根据对壁虎和蜘蛛脚的分析,研究人员已经生产出干胶和胶带。这种粘性是由壁虎脚上细小的维可牢尼龙搭扣般的毛发和油脂造成的。

现实生活中的蜘蛛侠

2014年,美国国防部高级研究计划局(DARPA)测试了其壁虎启发的壁虎皮,该材料基于壁虎脚垫的刚毛,旨在赋予军事人员蜘蛛侠般的能力。一名220磅重的研究人员携带另外45磅的装备,用两个攀爬桨成功地爬上了26英尺高的玻璃墙。

来源

  • Kellar,秋,等,“壁虎刚毛中范德华粘附的证据”,《国家科学院学报》,第99卷,第19期,2002年,12252-6页。内政部:10.1073/pnas.192252799。
  • 《范德瓦尔斯力的一般理论》,苏联物理学《乌佩基》,第4卷,第2期,1961年。内政部:10.1070/PU1961v004n02ABEH003330。
  • Israelachvili,J.分子间力和表面力。学术出版社,1985年。
  • 《范德瓦尔斯力量:生物学家、化学家、工程师和物理学家手册》。剑桥大学出版社,2005年。
  • 湿度对蜘蛛Philodromus dispar(蜘蛛目,Philodromidae)附着能力的影响〉,《英国皇家学会学报B:生物科学》,第279卷,第1726期,2011年。内政部:10.1098/rspb.2011.0505。

  • 发表于 2021-09-23 23:33
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  • 分类:科学

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