Hvad er van der Waals-kræfter? Definition og betydning i kemi
Lær hvad van der Waals-kræfter er, hvordan de virker og deres betydning i kemi, biologi og materialer — fra molekylære interaktioner til nanoteknologi.
I kemi er van der Waals-kræfter en type af intermolekylær kraft. En intermolekylær kraft er en relativt svag kraft, der holder molekyler sammen. Van der Waals-kræfter er den svageste type af intermolekylære kræfter. De er opkaldt efter den hollandske videnskabsmand Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).
Hvad skaber van der Waals-kræfter?
Negativt ladede elektroner kredser om molekyler eller ioner. Elektronerne skaber lidt forskellige ladninger fra den ene ende af molekylet til den anden. Disse små forskelle kaldes partielle ladninger, som δ - eller δ +.
Ud over permanente dipoler opstår også øjeblikkelige (inducerede) dipoler på grund af konstante kvantemekaniske udsving i elektronfordelingen. Når et øjeblikkeligt dipol dannes i et atom eller molekyle, kan det inducere et tilsvarende dipol i et nabomolekyle, og det er netop denne vekselvirkning der giver anledning til van der Waals-tiltrækning.
Typer af van der Waals-kræfter
- London-dispersionskræfter (også kaldet dispersionskræfter): Opstår mellem alle atomer og molekyler som følge af øjeblikkelige dipoler. De er ofte dominerende i ikke-polære stoffer og vokser med partiklens polariserbarhed og størrelse.
- Dipol–dipol-kræfter (Keesom): Opstår mellem molekyler med permanente dipoler, hvor positive og negative ender tiltrækker hinanden.
- Dipol–induceret dipol-kræfter (Debye): Opstår når et permanent dipol polariserer et nabomolekyle og derved inducerer en dipol i det.
- Hydrogenbinding omtales nogle gange separat, fordi den er betydeligt stærkere end typiske van der Waals-kræfter, men den har samme elektrostatiske ophav og indgår ofte i diskussioner om intermolekylære kræfter.
Rækkevidde og styrke
Van der Waals-kræfter falder hurtigt med afstand; den attraktive komponent for dispersionskræfter skalerer typisk med afstanden som cirka r-6, mens den kortdistante frastødning (på grund af elektronoverlap) vokser meget hurtigt ved korte afstande. En enkel model der ofte bruges til at beskrive denne balance er Lennard-Jones-potentialet (ofte kaldt 12–6 potentialet), som kombinerer en r-12-repulsion og en r-6-attraktion.
Betydning i kemi, biologi og materialer
Udtrykket bruges undertiden løst som et synonym for alle intermolekylære kræfter. Van der Waals-kræfter er relativt svage sammenlignet med kovalente bindinger, men spiller en grundlæggende rolle i supramolekylær kemi, enzymer, polymervidenskab, nanoteknologi, overfladevidenskab og fysik af kondenseret stof. Van der Waals-kræfterne definerer mange af organiske forbindelsers egenskaber, herunder deres opløselighed.
Eksempler på betydning:
- Flydende ædelgasser og lavt kogepunkt for små ikke-polære molekyler skyldes London-dispersionskræfter.
- Proteinfoldeprocesser, molekylær genkendelse og ligandbinding i enzymer påvirkes stærkt af disse svage interaktioner.
- Overfladeadhæsion og friktion ved nanoskalering (fx geckofødder, grafen-lag, smøremidler) afhænger af vdw-kræfter.
- Lagdelte materialer som grafit holdes sammen mellem lagene primært af van der Waals-kræfter.
Afhængighed af størrelse, polariserbarhed og temperatur
Større atomer og molekyler er mere polariserbare, hvilket øger dispersionskræfterne. Derfor har lange kulbrinter typisk højere kogepunkter end kortere på grund af stærkere vdw-interaktioner. Øget temperatur svækker typisk de organiserende virkninger af vdw-kræfter, fordi termisk bevægelse modvirker ordning og binding mellem partikler.
Måling og teoretisk behandling
Van der Waals-kræfter kan kvantificeres ved hjælp af teoretiske metoder (kvantemekaniske beregninger, molekylær dynamik) eller estimeres eksperimentelt via mål som kohæsion, overfladespænding, kogepunkter og bindingsenergier. I materialeteknik bruges ofte Hamaker-konstanten til at beskrive styrken af vdw-interaktioner mellem makroskopiske legemer.
Sammenfattende: selv om van der Waals-kræfter er relativt svage enkeltvis, er deres kollektive virkning afgørende for mange fysiske og kemiske egenskaber i naturen og i teknologiske materialer.
Geckoer kan klæbe sig fast til vægge og lofter på grund af van der Waals-kræfter.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er van der Waals-kraft?
Svar: Van der Waals-kraften er en type intermolekylær kraft, der tiltrækker molekyler til hinanden. Det er den svageste type af intermolekylær kraft.
Sp: Hvem var Johannes Diderik van der Waals?
Svar: Johannes Diderik van der Waals var en hollandsk videnskabsmand, der levede fra 1837 til 1923, og van der Waals-kraften blev opkaldt efter ham.
Spørgsmål: Hvad er partielle ladninger?
A: Partielle ladninger er små forskelle i ladning mellem den ene ende af et molekyle eller en ion og den anden, der opstår, når elektroner flytter deres baner som reaktion på hinanden. De beskrives ved hjælp af variablerne δ- eller δ+.
Spørgsmål: Hvordan er Van der Walls kraft sammenlignet med andre kræfter?
A: Van der Walls-kraften er svagere end kovalente bindinger og normalt svagere end hydrogenbindinger, men spiller stadig en vigtig rolle på mange områder som f.eks. kemi, enzymer, polymervidenskab, nanoteknologi, overfladevidenskab og fysik for kondenseret stof.
Sp: Hvilke egenskaber definerer Van der Walls-kræfterne for organiske forbindelser?
A: Van der Walls-kræfter definerer mange egenskaber ved organiske forbindelser, herunder deres evne til at opløses.
Spørgsmål: Hvad betyder "supramolekylær"?
A: Supramolekylær henviser til interaktioner mellem molekyler på en større skala end blot individuelle atomer eller molekyler, der interagerer med hinanden.
Søge