Pomiędzy indywiduami chemicznymi występują nie tylko wiązania chemiczne, ale także oddziaływania międzycząsteczkowe. Zostały przedstawione na poniżej zamieszczonych fiszkach.

R145H2vvYlScD1

Czarno-biała fotografia portretowa przedstawiająca van der Waalsa. Mężczyzna jest lekko wyłysiały ma białe krótkie włosy oraz przystrzyżoną brodę i wąsy. Nosi małe okrągłe okulary. Ubrany jest w czarny garnitur z muszką i białą koszulę.

Siły van der Waalsasiły van der WaalsaSiły van der Waalsa to bardzo słabe oddziaływania międzycząsteczkoweoddziaływania międzycząsteczkoweoddziaływania międzycząsteczkowe. Swoją nazwę zawdzięczają holenderskiemu fizykowi Johannesowi van der Waalsowi [johanesowi wan der walsowi], który w 1873 r. po raz pierwszy je opisał. Siły van der Waalsa występują albo pomiędzy dwoma cząsteczkami, z których jedna jest polarna (jest dipolem), albo pomiędzy dwiema niepolarnymi cząsteczkami typu ${\text{CH}}_4$ czy ${\text{Cl}}_2$, albo pomiędzy niewiążącymi się atomami gazów szlachetnych, albo także pomiędzy dipolami. Są to siły o charakterze oddziaływań elektrostatycznych. Nie są kierunkowe. Działają tylko na bardzo krótki zasięg. Oddziaływanie jest tym większe, im cząsteczki zbliżają się do siebie.

R1AEacpMs4Ukj

Ilustracja przedstawiająca oddziaływania typu: a) dipol-cząsteczka niepolarna, b) cząsteczka niepolarna-cząsteczka niepolarna. a) Dipol przedstawiono jako indywiduum o eliptycznym kształcie posiadające dwa bieguny, dodatni i ujemny. Niepolarną cząsteczkę zaprezentowano jako żółtą kulę. W wyniku oddziaływania niepolarna cząsteczka staje się dipolem indukowanym przez wspomniany dipol. Dipol pierwotny skierowany jest biegunem ujemnym do bieguna dodatniego w dipolu indukowanym. b) Cząsteczki niepolarne również symbolizowane przez żółte kulki zbliżają się do siebie, w skutek zbliżania się i generowania oddziaływań w obu cząsteczkach powstaje chwilowy indukowany moment dipolowy taki, że biegun ujemny pierwszej cząsteczki skierowany jest do bieguna dodatniego drugiej cząsteczki.

Oddziaływania van der Waalsa polegają na słabym oddziaływaniu ze sobą chmury elektronowej indywiduum chemicznego, a więc na przyciąganiu się szybkozmiennych dipoli. Kiedy elektrony walencyjne poruszają się, gęstość ładunku ujemnego na zewnętrznej powłoce atomów ulega szybkim fluktuacjom, co wzbudza również fluktuację w powłoce walencyjnej sąsiednich atomów. W wyniku tego powstają szybkozmienne dipole, które przyciągają się wzajemnie, co zwiększa wzajemną polaryzację elektronową.

Do oddziaływań van der Waalsa można zaliczyć:

• przyciąganie trwałych dipoli;

• przyciąganie dipola trwałego i indukowanego;

• przyciąganie dipola chwilowego i indukowanego.

Siły van der Waalsa decydują o wielu istotnych zjawiskach w przyrodzie, takich jak: solwatacja, struktura cieczy i ciał stałych, właściwości gazów rzeczywistych, stan skupienia materii oraz innych. Pełnią bardzo ważną rolę w makromolekułach – np. w polimerach warunkują właściwości polimerów (czyli to, czy cząsteczka polimeru jest giętka, czy sztywna, zależy nie tylko od właściwości makrocząsteczki). Siły van der Waalsa odpowiadają również za występowanie tzw. pochłaniania powierzchniowegopochłanianie powierzchniowepochłaniania powierzchniowego, inaczej mówiąc, adsorpcji cząsteczek, czyli odkładania cząsteczek jednej substancji na powierzchni drugiej.

R1UCfIhlqYW6K

Ilustracja przedstawiająca strukturę krystaliczną grafitu, którą zbudowana jest z warstw, które tworzą trójwiązalne atomy węgla tworzące płaszczyznę składającą się z sześcioczłonowych pierścieni. Czwarty elektron porusza się swobodnie, zatem z uwagi na rozmycie elektronów pierścienie te mają charakter aromatyczny. Pomiędzy poszczególnymi warstwami występują słabe oddziaływania van der Waalsa. Atomy węgla przedstawiono jako czarne kulki.

Siły van der Waalsa zależą również od kształtu cząsteczki. Powoduje to różnice w temperaturach wrzenia np. dla związków organicznych. Cząsteczka o wzorze ${\text{C}}_5{\text{H}}_{12}$ może mieć strukturę liniową lub rozgałęzioną. W zależności od struktury, ma różne temperatury wrzenia. Substancja zbudowana tylko z cząsteczek liniowych ma wyższą temperaturę wrzenia, niż ta zbudowana z cząsteczek rozgałęzionych. Jest to spowodowane tym, że oddziaływania van der Waalsa są silniejsze dla bardziej zbliżonych do siebie cząsteczek o strukturze liniowej. Poniżej przedstawiono przykłady dwóch izomerów związku o wzorze ogólnym ${\text{C}}_5{\text{H}}_{12}$ wraz z ich temperaturami wrzenia.

RY4lAH9jwqBXv

Ilustracja przedstawiająca model kulkowo-pręcikowy n-pentanu. Atomy węgla stanowią szare kulki, zaś atomy wodoru białe. Struktura zbudowana jest z grupy ${\text{CH}}_3$ związanej z grupą ${\text{CH}}_2$, która to łączy się z kolejną grupą ${\text{CH}}_2$ ta z następną związaną z grupą ${\text{CH}}_3$. Łańcuch węglowy tworzy zygzak.

RWFUHaseAO5CF

Ilustracja przedstawiająca 2,2-dimetylopropan w modelu kulkowo-pręcikowym. Atomy wodoru odpowiadają białym kulką, zaś węgla szarym. Cząsteczka zbudowana jest z atomu węgla połączonego z czterema grupami ${\text{CH}}_3$. Kąty pomiędzy atomami węgla wynoszą po 109,5 stopnia.

Mimo że są to stosunkowo słabe oddziaływania dla małych cząsteczek (kilkanaście razy słabsze od sił wiązania atomów w cząsteczce), to niekiedy mogą przewyższać siłę wiązania chemicznego. Można to zaobserwować w przypadku długołańcuchowych węglowodorów, które występują w smarach lub tworzywach sztucznych. Widać to również w temperaturach wrzenia – zazwyczaj substancje o dużej masie cząsteczkowej mają wysokie temperatury wrzenia, a substancje o małej masie cząsteczkowej – niskie. Przyczyną tego jest większa liczba elektronów w cząsteczce, czemu odpowiadają większe fluktuacje ładunków cząstkowych, uwarunkowane oscylowaniem elektronów między różnymi położeniami. Na przykład analizując atomy fluorowców, atom fluoru ma tylko dziewięć elektronów, fluktuacje w tej chmurze elektronowej są małe, a oddziaływania międzycząsteczkowe są tak słabe, że temperatura wrzenia gazowego fluoru to -188°C. W atomie bromu jest 35 elektronów, fluktuacje są częstsze, czego efektem jest zmiana temperatury wrzenia. Gazowy brom wrze w 59°C.

Ciała stałe, w których występują głównie siły van der Waalsa, charakteryzują się niższymi temperaturami topnienia i są bardziej miękkie niż te, w których występują inne oddziaływania, tj. wiązanie wodorowe.

Ciekawostka

R1Lm5FSrvSTI61

Zdjęcie przedstawiające posturę wspinającego się po białej siatce gekona.

Duża przyczepność łap gekona do powierzchni wynika nie tylko z obecności lipidów, znajdujących się na ich skórze, oraz sił elektrostatycznych, ale również występujących sił van der Waalsa. Na ich łapach znajdują się rządki mikroskopijnych włosków, dodatkowo rozszczepionych na końcach w miotełki, które są jeszcze drobniejsze. Zakończone są płaskimi nano‑szpatułkami, co powoduje zwiększenie powierzchni przylegania. Siłą odpowiedzialną za przyklejanie się włosków do powierzchni są właśnie omawiane oddziaływania. Siły van der Waalsa są tymi najsłabszymi, ale nadal odgrywają ważną rolę we właściwościach cząsteczek i w nauce o powierzchni.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy Chemii Nieorganicznej, Warszawa 2010.

Penkala T., Podstawy Chemii Ogólnej, Warszawa 1982.

Wydział Nauk Medycznych i Technicznych. Semestr I: Oddziaływania międzycząsteczkowe, wiązanie metaliczne, online: http://chemia.wpt.kpswjg.pl/semestr1/temat8/temat8.html, dostęp: 01.03.2021.