Siły van der Waalsasiły van der waalsaSiły van der Waalsa to wszechobecne, choć stosunkowo słabe oddziaływania międzycząsteczkowe o charakterze elektrostatycznym. Choć indywidualnie są znacznie słabsze od wiązań chemicznych, takich jak kowalencyjne czy jonowe, ich zbiorowe działanie ma fundamentalne znaczenie dla wielu właściwości fizycznych materii, od temperatury wrzenia cieczy po zdolność gekonów do wspinania się po gładkich powierzchniach.

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.

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 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.

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.

Siły Londona to rodzaj oddziaływań van der Waalsa, są wynikiem wzajemnego przyciągania się wszystkich cząsteczek. Jest to jedyne oddziaływanie, które występuje między atomami gazów szlachetnych i między cząsteczkami niepolarnymi. Niepolarne cząsteczki mogą wykazywać chwilowy moment dipolowy, wynikający z deformacji chmury elektronowej.

R1hI2rXGYvVP7

Ilustracja przedstawia dwie pary połączonych ze sobą owali. W pierwszej parze w owalu na środku po lewej stronie jest delta minus, po prawej stronie delta plus. Łączy się z owalem, w którym po lewej stronie na środku jest delta plus, a po prawej delta minus. W drugiej parze owali jest odwrotnie: pierwszy owal po lewej stronie ma deltę plus, a po prawej deltę minus, w drugim połączonym z nim owalem po lewej stronie u góry jest delta minus, a po prawej na dole delta plus.

Zmiany właściwości fizycznych związków pod wpływem sił Londona wykazują węglowodory. Wraz ze wzrostem ilości atomów węgla w cząsteczce węglowodoru, zmienia się ich stan skupienia w warunkach pokojowych. Od węglowodorów, które są gazami, poprzez cieczce, aż po węglowodory o dużej ilości atomów węgla, będące ciałami stałymi. W wyniku zwiększania się ilości atomów węgla, cząsteczki te mają większą możliwość oddziaływania ze sobą. Nie są one trwałymi dipolami, ale wraz z ich wzrastającą masą cząsteczkową zwiększa się siła – co przedstawiono na poniższych zdjęciach.

R5sec1inW55rK

Rysunek przedstawia model kulkowy cząsteczki pentanu. Atomy węgla przedstawiono za pomocą czarnych kulek, a wodoru za pomocą szarych kulek. Pięć atomów węgla jest połączonych ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Łańcuch główny ma kształt zygzaka. Do pierwszego i ostatniego atomu węgla przyłączone są po trzy atomy wodoru, a do pozostałych atomów węgla przyłączone są po dwa atomy wodoru.

RGx1skBJpQF2z

Rysunek przedstawia model kulkowy cząsteczki pentadekanu. Atomy węgla przedstawiono za pomocą czarnych kulek, a wodoru za pomocą szarych kulek. $15$ atomów węgla jest połączonych ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Łańcuch węgli ma kształt zygzaka. Do pierwszego i ostatniego atomu węgla przyłączone są po trzy atomy wodoru, a do pozostałych atomów węgla przyłączone są po dwa atomy wodoru.

R1YHFacXj22Qw

Rysunek przedstawia model kulkowy cząsteczki oktadekanu. Atomy węgla przedstawiono za pomocą czarnych kulek, a wodoru za pomocą szarych kulek. $18$ atomów węgla jest połączonych ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Łańcuch główny ma kształt zygzaka. Do pierwszego i ostatniego atomu węgla przyłączone są po trzy atomy wodoru, a do pozostałych atomów węgla przyłączone są po dwa atomy wodoru.

Ważnym czynnikiem, wpływającym na siłę oddziaływań, jest także kształt cząsteczki:

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.

R15QoCXWCiowd

Rysunek przedstawia model kulkowy cząsteczki pentanu. Atomy węgla przedstawiono za pomocą czarnych kulek, a wodoru za pomocą szarych kulek. Pięć atomów węgla jest połączonych ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Łańcuch główny ma kształt zygzaka. Do pierwszego i ostatniego atomu węgla przyłączone są po trzy atomy wodoru, a do pozostałych atomów węgla przyłączone są po dwa atomy wodoru.

R117vFjz8uVhp

Rysunek przedstawia model kulkowy cząsteczki pentanu. Atomy węgla przedstawiono za pomocą czarnych kulek, a wodoru za pomocą szarych kulek. Pięć atomów węgla jest połączonych ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Cztery wiązania pojedyncze rozchodzą się od atomu węgla położonego centralnie. Do czterech atomów węgla przyłączone są po trzy atomy wodoru. W sumie jest $12$ atomów wodoru.

Pentan wrze w temperaturze $\mathrm{36,1}°\mathrm{C}$, a $\mathrm{2,2}$–dimetylopropan w temperaturze $10°\mathrm{C}$. Oddziaływania w przypadku drugiego związku są znacznie słabsze. Im bardziej rozgałęzione związki, tym oddziaływanie Londona jest słabsze.

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 łapach gekona 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.

RxPcxj9aYczSq

Film nawiązujący do treści materiału

Film nawiązujący do treści materiału

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RxPcxj9aYczSq

Film nawiązujący do treści materiału