Van der Waals บังคับดินน้ำมัน นักวิทยาศาสตร์ได้วัดแรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างอะตอมเป็นครั้งแรก การสำแดงในธรรมชาติ

10-20 กิโลจูล/โมล คำนี้แต่เดิมหมายถึงแรงดังกล่าวทั้งหมด ในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ มักใช้กับแรงที่เกิดจากโพลาไรเซชันของโมเลกุลและการก่อตัวของไดโพล ค้นพบโดย J.D. van der Waals ในปี 1869

แรง Vander Waals ของปฏิกิริยาระหว่างอะตอมของก๊าซเฉื่อยกำหนดความเป็นไปได้ของการดำรงอยู่ของสถานะรวมของก๊าซเฉื่อย (ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง)

แรง Van der Waals รวมถึงปฏิกิริยาระหว่างไดโพล (ถาวรและเหนี่ยวนำ) ชื่อนี้มาจากข้อเท็จจริงที่ว่าแรงเหล่านี้เป็นสาเหตุของการแก้ไขความดันภายในในสมการสถานะ van der Waals สำหรับก๊าซจริง ปฏิกิริยาเหล่านี้ตลอดจนพันธะไฮโดรเจนเป็นตัวกำหนดการก่อตัวของโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลขนาดใหญ่ทางชีววิทยา

แรง Vander Waals ยังเกิดขึ้นระหว่างอนุภาค (อนุภาคขนาดมหึมาหรืออนุภาคนาโน) กับโมเลกุลและระหว่างอนุภาคทั้งสอง

การจำแนกประเภทของกองกำลัง van der Waals

ปฏิกิริยาระหว่างแวนเดอร์วาลส์ประกอบด้วยปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าแบบอ่อนสามประเภท:

• กองกำลังปฐมนิเทศ, แรงดึงดูดแบบไดโพล-ไดโพล ดำเนินการระหว่างโมเลกุลที่เป็นไดโพลถาวร ตัวอย่างคือ HCl ในสถานะของเหลวและของแข็ง พลังงานของการปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวแปรผกผันกับกำลังสามของระยะห่างระหว่างไดโพล
• แรงดึงดูดการกระจายตัว (แรงลอนดอน, แรงกระจาย)เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างไดโพลแบบทันทีและแบบเหนี่ยวนำ พลังงานของการปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวแปรผกผันกับกำลังที่หกของระยะห่างระหว่างไดโพล
• แรงดึงดูดแบบอุปนัย (แรงดึงดูดแบบโพลาไรเซชัน)ปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพลถาวรกับไดโพลเหนี่ยวนำ พลังงานของการปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวแปรผกผันกับกำลังที่หกของระยะห่างระหว่างไดโพล

จนถึงขณะนี้ ผู้เขียนหลายคนยังคงสันนิษฐานว่าแรงของฟาน เดอร์ วาลส์กำหนดปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นในผลึกแบบชั้น ซึ่งขัดแย้งกับข้อมูลการทดลอง: สเกลแอนไอโซโทรปีของอุณหภูมิเดบาย และด้วยเหตุนี้ สเกลแอนไอโซโทรปีการสะท้อนของตาข่ายจึงเกิดขึ้น จากสมมติฐานที่ผิดพลาดนี้ แบบจำลองสองมิติจำนวนมากได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อ "อธิบาย" คุณสมบัติของกราไฟต์และโบรอนไนไตรด์โดยเฉพาะ

ในกรณีหลังนี้ กองกำลังที่เรียกว่า Casimir และ Casimir-Lifshitz จะดำเนินการ

การสำแดงในธรรมชาติ

ดูสิ่งนี้ด้วย

หมายเหตุ

วรรณกรรม

• บารัช ยู.เอส.กองกำลังฟาน เดอร์ วาลส์ - อ.: Nauka, 2531. - 344 น.
• แคปแลน ไอ.จี.ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล - อ.: Nauka, 2525. - 312 น.
• แคปแลน ไอ.จี.ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล การตีความทางกายภาพ การคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ และศักยภาพของแบบจำลอง - ม.: บินอม. ห้องปฏิบัติการความรู้, 2555. - 400 น. - ไอ 978-5-94774-939-7.
• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล จากโมเลกุลไดอะตอมมิกสู่ไบโอโพลีเมอร์ / การแปล จากอังกฤษ ed.: Pyulman B. - M.: Mir, 1981. - 592 น.
• Deryagin B.V., Churaev N.V., มุลเลอร์ V.M.แรงพื้นผิว - อ.: Nauka, 2528. - 400 น.
• คอบซ่า พี., ซาห์ราดนิค อาร์.เชิงซ้อนระหว่างโมเลกุล: บทบาทของระบบฟาน เดอร์ วาลส์ในเคมีกายภาพและชีวสาขาวิชา - อ.: มีร์ 2532. - 376 หน้า
• อิสราเอลัชวิลี เจ.แรงระหว่างโมเลกุลและแรงพื้นผิว - ลอนดอน: สำนักพิมพ์วิชาการ, 2528-2547. - 450 วิ- ไอ 0-12-375181-0.

ผลงานชุดใหญ่ของ E.M. ลิฟชิตซ์ทุ่มเทให้กับการสร้างทฤษฎีทั่วไปของแรงปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลหรือแรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างวัตถุที่ควบแน่น การดำรงอยู่ของแรงดังกล่าวระหว่างอะตอมและโมเลกุลถูกตั้งสมมติฐานโดย Van der Waals โดยอาศัยการวิเคราะห์การเบี่ยงเบนคุณสมบัติของก๊าซจากอุดมคติ ในปี 1930 F. London ใช้กลศาสตร์ควอนตัมคำนวณกฎปฏิสัมพันธ์ของอะตอมในระยะห่างระหว่างพวกมันมาก ปรากฎว่าอะตอมถูกดึงดูดซึ่งกันและกันโดยพลังงานอันตรกิริยาลดลงตามกฎ 1/R 6 ขั้นตอนต่อไปดำเนินการโดย G. Casimir และ D. Polder ในปี 1946 พวกเขาแสดงให้เห็นว่าที่ระยะทาง "ใหญ่ที่สุด" ซึ่งมากกว่าความยาวคลื่นลักษณะเฉพาะในสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของอะตอม ผลของความล่าช้าเชิงสัมพัทธ์ของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้ามีผลบังคับใช้ และกฎของการลดลงจะเปลี่ยนเป็น 1/R 7 วิธีที่ใช้ในงานเหล่านี้เหมาะสำหรับการคำนวณปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุขนาดเล็กเท่านั้น ในแง่หนึ่ง Casimir พิจารณากรณีที่ตรงกันข้ามกันในปี 1950 เขาคำนวณพลังงานของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างระนาบโลหะที่นำไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์แบบสองระนาบ เป็นสิ่งสำคัญที่พลังงานนี้ฉันถูกคำนวณเป็นพลังงานของการแกว่งจุดศูนย์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในช่องว่างระหว่างระนาบหรืออย่างแม่นยำมากขึ้นซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของพลังงานนี้ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างระนาบ ดังนั้นจึงเน้นย้ำถึงต้นกำเนิดการผันผวนของกองกำลัง

กิน. ลิฟชิตซ์สามารถสร้างทฤษฎีทั่วไปของแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุขนาดมหภาคโดยพลการได้ (ผลงาน 23, 25, 26) ทฤษฎีนี้ใช้ได้กับวัตถุที่มีรูปร่างและขนาดตามอำเภอใจโดยมีคุณสมบัติเป็นฉนวนตามอำเภอใจ มันจะคำนึงถึงเอฟเฟกต์ความล่าช้าโดยอัตโนมัติ ในการคำนวณแรงในทฤษฎีนี้ จำเป็นต้องทราบค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์ในช่วงความถี่ที่ค่อนข้างกว้าง

จุดเริ่มต้นสำหรับการคำนวณคือนิพจน์สำหรับ แม็กซ์เวลเลียนเทนเซอร์ของความตึงเครียดแม่เหล็กไฟฟ้าใกล้ร่างกาย การผสมกำลังสองของความแรงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่รวมอยู่ในนิพจน์นี้คำนวณโดยใช้ทฤษฎีความผันผวนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่พัฒนาโดย S.M. Rytov ซึ่งคำนึงถึงทั้งจุดศูนย์และความผันผวนของความร้อน 1) ดังนั้นทฤษฎีลิฟชิตซ์ยังอธิบายการพึ่งพาแรงต่ออุณหภูมิด้วย

1) ต่อจากนั้น Landau และ Lifshitz ได้ให้การพิสูจน์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อย่างเข้มงวดสำหรับทฤษฎีของ Rytov โดยอาศัยการใช้ทฤษฎีบทการกระจายความผันผวนของ G. Cullen และ T. Welton อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ที่สำคัญนี้ไม่ได้ตีพิมพ์ในรูปแบบของบทความ แต่ผู้เขียนได้รวมไว้ในหนังสือ "Electrodynamics of Continuum Media" ในการอ้างอิง 26 ทฤษฎีบทนี้ถูกนำไปใช้เพื่อสร้างทฤษฎีความผันผวนของของไหลที่อธิบายโดยสมการของอุทกพลศาสตร์

ทฤษฎีนี้ถูกนำมาใช้โดย E.M. Lifshitz เพื่อคำนวณแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างระนาบอิเล็กทริก ยิ่งไปกว่านั้น สำนวนที่รู้จักก่อนหน้านี้ทั้งหมดเกี่ยวกับแรงกลายเป็นการจำกัดกรณีของสูตรทั่วไปที่เป็นผลลัพธ์ ได้รับค่าตัวเลขเฉพาะสำหรับควอตซ์ซึ่งมีการศึกษาคุณสมบัติไดอิเล็กทริกอย่างดี การทดลองครั้งแรกนำไปสู่การยืนยันทฤษฎี คำอธิบายของการทดลองเหล่านี้สามารถพบได้ในรายงานฉบับที่ 31 ซึ่งเขียนร่วมกับผู้ทดลอง ขณะนี้ทฤษฎีนี้ได้รับการทดสอบอย่างแม่นยำในทุกรายละเอียดแล้ว

ทฤษฎีของลิฟชิตซ์มีข้อจำกัดที่สำคัญประการหนึ่ง ศพต้องถูกแยกออกจากกันด้วยสุญญากาศ ถ้าร่างกายถูกแยกออกจากกันด้วยไดอิเล็กทริก เช่น จุ่มลงในของเหลวอิเล็กทริก วิธีที่ใช้ก็ไม่เหมาะสม ความจริงก็คือการแสดงออกของเทนเซอร์ความเค้นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวกลางดูดซับนั้นไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด และไดอิเล็กตริกใดๆ มีการดูดกลืนแสงในช่วงความถี่หนึ่ง และความถี่เหล่านี้เองที่จำเป็นสำหรับการคำนวณแรง

I.E. โชคดีพอที่จะเอาชนะความยากลำบากนี้ได้ในปี 1959 Dzyaloshinsky และผู้แต่งคำนำนี้ เราได้แสดงให้เห็นว่า ในทางตรงกันข้ามกับเทนเซอร์ความเค้นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าตามอำเภอใจ เทนเซอร์ความเค้นของความผันผวนของแม่เหล็กไฟฟ้าที่สมดุลในตัวกลางดูดซับสามารถพบได้ ปัญหาอยู่ที่การคำนวณฟังก์ชันของกรีนในสมการของแมกซ์เวลล์สำหรับส่วนต่างๆ ที่กำลังศึกษาอยู่ ผลลัพธ์นี้ทำให้สามารถสรุปทฤษฎีเกี่ยวกับกรณีของวัตถุที่แยกจากกันด้วยอิเล็กทริก ซึ่งทำโดย I.E. Dzyaloshinsky, E.M. ลิฟชิตส์ แอนด์ แอล.พี. Pitaevsky ในงานของเขา 33. ปรากฎว่าปฏิสัมพันธ์ในบางกรณีสอดคล้องกับแรงผลักระหว่างร่างกาย นอกจากนี้ยังสามารถคำนวณการขึ้นต่อกันของศักยภาพทางเคมี a ของฟิล์มของเหลวกับความหนาของมัน ซึ่งมีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์พื้นผิวหลายอย่าง

เวอร์ชันสุดท้ายของทฤษฎีนำเสนอโดยผู้เขียนสามคนคนเดียวกันในการทบทวน 34 บทความนี้ยังคงเป็นหนึ่งในบทความที่ได้รับการอ้างถึงมากที่สุดในสาขานี้

สมการแวนเดอร์วาลส์

ในปี พ.ศ. 2416 Van der Waals ได้ใช้แบบจำลองโมเลกุลของลูกบอลที่ไม่สามารถอัดตัวได้ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง D ซึ่งดึงดูดและถูกดึงดูดซึ่งกันและกัน ได้สมการง่ายๆ อย่างน่าประหลาดใจของเขา ในก๊าซจริง ผลของแรงดึงดูดของโมเลกุล ความดันจลน์จะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความดันในก๊าซอุดมคติ จากการพิจารณาทั่วไปส่วนใหญ่ แรงดึงดูดของโมเลกุลจะเป็นสัดส่วนกับจำนวนโมเลกุลที่ดึงดูดและดึงดูด ∆p ~ N 2 จากการผลักกันของโมเลกุล ปริมาตรอิสระในก๊าซจริงจึงน้อยกว่าปริมาตรของภาชนะบรรจุที่ก๊าซนั้นครอบครอง Van der Waals ประมาณปริมาตรต้องห้ามรอบๆ แต่ละโมเลกุล ซึ่งจุดศูนย์กลางของอีกโมเลกุลหนึ่งไม่สามารถเข้าไปได้เนื่องจากการผลักกันซึ่งกันและกัน เป็นปริมาตรของทรงกลม โดยที่ D คือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของทรงกลมที่ไม่สามารถบีบอัดได้สองอันที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง D ดังนั้น ปริมาตรต้องห้ามรวมของโมลของก๊าซจะเท่ากับ คือ เท่ากับสี่เท่าของปริมาตร N a ของโมเลกุลที่ไม่สามารถบีบอัดได้

สมการของ Clapeyron สำหรับก๊าซในอุดมคติ:

pV=N และ kT (3.2);

สมการ van der Waals คือสมการของ Clapeyron ซึ่งมีการแนะนำการแก้ไขที่กล่าวมาข้างต้นสำหรับความดันจลน์ที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลและปริมาตรอิสระจริงที่ลดลง:

หรือ (3.3);

โดยที่ a เป็นค่าคงที่ b4V 0 (V 0 คือปริมาตรของโมเลกุล)

หากเป็นตัวแปร P, V และ T เราใช้ค่าสัมพัทธ์ P c =P/P k , T c =T/T k , V c =V/V k  (โดยที่ P k , T k , V k มีความสำคัญ ค่านิยม) จากนั้นกฎ van der Waals จะอยู่ในรูปแบบของกฎสากลของรัฐที่เกี่ยวข้อง:

– ฟังก์ชั่นสากล

– ค่าคงที่สากล

ข้อพิสูจน์ของกฎหมายนี้สามารถกำหนดได้ดังนี้: สารทั้งหมดเดือดที่ความดันและอุณหภูมิสัมพัทธ์เท่ากัน หรืออีกครั้ง: ปริมาตรสัมพัทธ์ของสารทั้งหมดจะเท่ากันที่ความดันและอุณหภูมิสัมพัทธ์เท่ากัน สมการแวนเดอร์วาลส์สามารถเขียนได้ในรูปแบบอื่น:

(3.4);

เหล่านั้น. นำเสนอในรูปแบบของการขยายตัวของศักยภาพที่น่าสนใจในกำลังผกผันของอุณหภูมิ โดยพิจารณาเฉพาะเทอมแรกเท่านั้น เหตุผลสำหรับแนวทางนี้ ทำหน้าที่เป็นข้อสันนิษฐานของ Van der Waals เกี่ยวกับธรรมชาติของแรงดึงดูดในระยะไกล ในกรณีของการกระทำระยะไกล เราสามารถสรุปได้ว่าเมื่อย้ายจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่ง พลังงานศักย์ของพวกมันจะไม่เปลี่ยนแปลง กล่าวคือ a = const เนื่องจากอยู่ในสนามเฉลี่ยของเพื่อนบ้านที่มีความหนาแน่นของพลังงานคงที่

การศึกษาทางคณิตศาสตร์และเชิงทดลองของสมการนี้แสดงให้เห็นว่าการแก้ไขแบบ van der Waals มีความหมายทางกายภาพที่ลึกซึ้ง พวกเขาอธิบายในเชิงคุณภาพไม่เพียงแต่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของระบบที่กำหนดการเปลี่ยนสถานะก๊าซและของเหลว แต่ยังรวมถึงรูปร่างของบริเวณวิกฤตด้วย นอกจากนี้ หากแรงดึงดูดไม่สามารถถือว่าคงที่ได้เนื่องจากอันตรกิริยาในระยะสั้น สมการแวนเดอร์วาลส์ยอมให้การประมาณต่อไปนี้โดยคำนึงถึงเทอม 1/T 2

ฟาน เดอร์ วาลส์ในปี พ.ศ. 2416 เป็นหนึ่งในบุคคลกลุ่มแรกๆ ที่ชี้ให้เห็นการมีอยู่ของอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลที่ไม่ใช่สารเคมีในสถานะอสัณฐานของสสาร และแบ่งอันตรกิริยานี้ออกเป็นแรงดึงดูดในระยะไกลและแรงผลักในระยะสั้น ในเวลาเดียวกันเขาเสนอวิธีที่ง่ายที่สุด แต่ในขณะเดียวกันก็ค่อนข้างแม่นยำในอุณหภูมิและความดันที่หลากหลายซึ่งเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับคำนึงถึงแรงข้างต้นเมื่อคำนวณสถานะของก๊าซจริง จากสถานการณ์ข้างต้น แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลระยะไกลและแรงผลักระหว่างโมเลกุลระยะสั้นเรียกว่าแรงแวนเดอร์วาลส์

ตามที่การคำนวณเชิงกลควอนตัมแสดงให้เห็น พลังงานของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลระยะยาวประกอบด้วยสิ่งที่เรียกว่าพลังงานไฟฟ้าสถิตและพลังงานก่อกวนอันดับสอง - การเหนี่ยวนำและการกระจายตัว ปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นระหว่างโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุล ระหว่างไอออนกับไดโพลในสารละลายหรือโลหะผสม สำหรับโมเลกุลที่เป็นกลางในปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิต สิ่งที่เรียกว่าปฏิกิริยาเชิงทิศทางของโมเมนต์ไดโพลถาวรของโมเลกุลเป็นสิ่งสำคัญ

ปฏิกิริยาการปฐมนิเทศ การเหนี่ยวนำ และการกระจายตัวเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดสามประการของแรงดึงดูดของแวนเดอร์วาลส์ แรง Van der Waals เรียกว่าระยะไกล เนื่องจากพลังงานของอันตรกิริยาของ van der Waals จะลดลงค่อนข้างช้าตามระยะทางและเป็นสัดส่วนกับ r -n

การโต้ตอบการวางแนวของ Van der Waals

(เอฟเฟกต์เคโซม)

ลองพิจารณาแรงปฏิสัมพันธ์ที่เป็นไปได้ระหว่างสองไดโพล

หากไดโพลสองตัวอยู่บนเส้นตรงเดียวกันและอยู่ในทิศทางที่เท่ากัน (รูปที่ 3.4 ก) พวกมันจะถูกดึงดูดด้วยแรงที่แปรผกผันกับกำลังสามของระยะห่างระหว่างพวกมัน โดยวางไดโพลไว้ที่ "หาง"

ข้าว. 3.4. ตำแหน่งของไดโพล

แรงที่คล้ายกันกระทำระหว่างไดโพลที่มีทิศทางตรงกันข้ามสองตัวซึ่งอยู่บนเส้นคู่ขนานในระยะห่างที่สั้นที่สุดจากกัน (รูปที่ 3.4 b) การติดตั้งไดโพล“ อันหนึ่งอยู่ด้านล่างอีกอัน” (การติดตั้งไดโพลที่ตรงกันข้าม) ในทั้งสองกรณี จะมีการมุ่งเน้นเพื่อให้พลังงานของระบบมีน้อยที่สุด (รูปที่ 3.4) หากไดโพลไม่อยู่ในแนวดังแสดงในรูป 3.4 จากนั้นระหว่างไดโพล นอกเหนือจากแรงปฏิสัมพันธ์ในแนวรัศมี (แรงดึงดูดหรือแรงผลัก) แรงบิดก็เกิดขึ้น

ในของเหลวและก๊าซ การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนทำให้เกิดการวางแนวของโมเลกุลทุกประเภท เมื่อเฉลี่ยพลังงานปฏิสัมพันธ์ในทิศทางที่เป็นไปได้ทั้งหมด โดยคำนึงถึงการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน สำหรับของเหลวและก๊าซ การคำนวณสามารถทำได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

(3.5);

โดยที่ s คือระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของไดโพล µ 1 และ µ 2 คือแรงบิดของไดโพล

ปฏิสัมพันธ์แบบทิศทางของ van der Waals มีบทบาทสำคัญในกระบวนการแยกตัวด้วยไฟฟ้า สำหรับสารที่มีขั้วมากที่สุด พันธะของ Van der Waals ที่มีลักษณะเป็นแนวตะวันออกมีส่วนสำคัญมากที่สุดต่อพลังงานและอุณหภูมิของการหลอมละลายและการระเหิด (หรือการเดือด) อันตรกิริยาการวางตัวของ Van der Waals พร้อมด้วยอันตรกิริยาการเหนี่ยวนำของ Van der Waals และ ถูกใช้ในโรงงานดูดซับและดูดซับฝุ่น ดังนั้นวัสดุที่มีขั้วสูงจึงมักถูกใช้เป็นตัวดูดซับและดูดซับในโรงงานบำบัดฝุ่นเกือบทุกครั้ง

ปฏิกิริยาโต้ตอบแบบอุปนัยของ Van der Waals

(เอฟเฟกต์เดบาย)

โมเลกุลที่มีโมเมนต์ไดโพลถาวรจะกระตุ้นให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าโมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำในอีกโมเลกุลหนึ่ง ไม่มีขั้วหรือมีขั้ว ขนาดของโมเมนต์ไดโพล  ind ที่เกิดจากความแรงของสนามไฟฟ้า E สามารถแสดงได้ด้วยอนุกรมต่อไปนี้:  ind = E+E 2 + สำหรับสนามไฟฟ้ากำลังต่ำ เงื่อนไขทั้งหมดของอนุกรมยกเว้นเงื่อนไขแรกสามารถละเลยได้ การประมาณนี้สามารถทำได้สำหรับไดโพลที่มีปฏิสัมพันธ์เชิงเหนี่ยวนำคู่หนึ่ง  ind = E โดยที่  คือความสามารถในการโพลาไรซ์ของโมเลกุล โมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำมีทิศทางเดียวกันกับเส้นความแรงของสนามไฟฟ้าของไดโพลถาวรที่ทำให้เกิดลักษณะของโมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำในโมเลกุลที่สามารถโพลาไรซ์ได้หรืออนุมูล ณ ตำแหน่งของโมเลกุลโพลาไรซ์ได้ (หรืออนุมูล ตามลำดับ) ปฏิกิริยาระหว่างไดโพลถาวรของโมเลกุลหนึ่ง (ไอออนหัวรุนแรงและเชิงซ้อน) กับไดโพลที่เกิดจากโมเลกุลที่สอง (หรือกลุ่มอะตอมโดยทั่วไป) จะช่วยลดพลังงานศักย์ของระบบที่มีสองโมเลกุล และทำให้ระบบแข็งแรงขึ้น

หากเราพิจารณาว่าโมเลกุลที่กระตุ้นโมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำนั้นมีความสามารถในการโพลาไรซ์ได้ การคำนวณสามารถทำได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

(3.6);

พลังงานของอันตรกิริยาอุปนัย เช่น ปฏิกิริยาเชิงตะวันออก ลดลงตามสัดส่วนกำลังกำลังที่หกของระยะทาง แต่อันตรกิริยาอุปนัยไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ อย่างหลังนี้เกิดจากการที่การวางแนวของโมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำนั้นไม่สามารถกำหนดเองได้ แต่จะถูกกำหนดโดยทิศทางและตำแหน่งของไดโพลเหนี่ยวนำในอวกาศโดยเฉพาะ

ค่าพลังงาน ยิ่งความสามารถในการโพลาไรซ์ของโมเลกุลสูงเท่าใด ปฏิสัมพันธ์แบบอุปนัย U ind ก็จะยิ่งมีนัยสำคัญมากขึ้นเท่านั้น ปฏิสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำถูกสังเกต: ในระหว่างการก่อตัวของไฮเดรตของก๊าซมีตระกูลในสารละลายของสารที่มีขั้วในตัวทำละลายที่ไม่มีขั้ว (เช่นอะซิโตนในคาร์บอนเตตราคลอไรด์) ฯลฯ แต่มีความสำคัญเฉพาะกับโมเลกุลที่มีความสามารถในการโพลาไรซ์ที่มีนัยสำคัญเท่านั้น สิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่รวมถึงโมเลกุลที่มีพันธะคอนจูเกต

ปฏิสัมพันธ์แบบอุปนัยไม่ใช่การเพิ่มเติม สิ่งนี้จะชัดเจนหากเราพิจารณาอนุภาคที่ไม่มีขั้วในสนามของไดโพลสองตัวที่มีตำแหน่งสมมาตร แต่ละคนที่กระทำการด้วยตัวมันเองจะทำให้เกิดผลการเหนี่ยวนำ แต่การกระทำที่รวมกันของพวกเขานั้นมีความสมดุลซึ่งกันและกันซึ่งส่งผลให้เกิด ผลก็คือ โมเมนต์ไดโพลของอนุภาคไม่มีขั้วจะไม่ถูกเหนี่ยวนำ ดังนั้นพลังงานของระบบในกรณีที่อยู่ระหว่างการพิจารณาจึงไม่ลดลงตามปฏิสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำ

เนื่องจากการไม่มีโมเลกุลที่สามารถโพลาไรซ์ได้ง่ายมากมายและการไม่เพิ่มปฏิกิริยาแบบอุปนัย เอฟเฟกต์ Debye จึงไม่เคยโดดเด่นเมื่อเทียบกับเอฟเฟกต์ Kezom (ปฏิกิริยาเชิงตะวันออก) และเอฟเฟกต์ลอนดอน

อันตรกิริยาการกระจายตัวของแวน เดอร์ วาลส์

(เอฟเฟ็กต์ลอนดอน)

อย่างไรก็ตาม มีโมเลกุลที่ไม่เพียงแต่มีโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังมีโมเมนต์ไฟฟ้าที่มีลำดับสูงกว่าด้วย สิ่งเหล่านี้เป็นโมเลกุลที่สมมาตรกันเป็นทรงกลม โดยส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลของก๊าซในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม ก๊าซมีตระกูลยังกลายเป็นของเหลวเมื่อเย็นลง และเมื่อเย็นลงอีก (ฮีเลียม - เฉพาะภายใต้ความดันที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความดันบรรยากาศ) พวกมันจะตกผลึก แรงที่นำไปสู่การควบแน่นของก๊าซในอุดมคติเรียกว่าแรงกระจายแวนเดอร์วาลส์ อันตรกิริยาของการกระจายตัวของ Van der Waals มีบทบาทสำคัญในอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลอื่นๆ ทั้งหมด โดยไม่มีข้อยกเว้น

การแก้สมการชโรดิงเงอร์สำหรับระบบสองโมเลกุลโดยวิธีการก่อกวนบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิต การเหนี่ยวนำ และการกระจายตัว ผลกระทบแต่ละอย่างเหล่านี้มีคำจำกัดความเชิงกลของควอนตัมที่เข้มงวด แต่ถ้าสามารถเข้าใจเอฟเฟกต์การวางแนวและการเหนี่ยวนำได้บนพื้นฐานของแนวคิดเรื่องไฟฟ้าสถิต จากนั้นปฏิสัมพันธ์ของการกระจายตัวจะอธิบายได้เฉพาะบนพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น

แนวคิดแบบจำลองคร่าวๆ ของปฏิสัมพันธ์การกระจายตัวระหว่างอะตอมของก๊าซมีตระกูลสองอะตอมสามารถเกิดขึ้นได้โดยการพิจารณาโปรตอนของนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นขั้วบวกและขั้วลบของไดโพลไฟฟ้าทันทีที่หมุนรอบศูนย์กลางของอะตอม .

เนื่องจากทิศทางของไดโพลเหล่านี้เปลี่ยนแปลงด้วยความถี่ 10 15 รอบต่อวินาที ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อะตอมไม่มีโมเมนต์ไดโพลที่มีทิศทางคงที่ โดยเฉลี่ยเมื่อเวลาผ่านไป โมเมนต์ไดโพลของมันจะเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม เมื่ออะตอมสองอะตอมมาบรรจบกัน โมเมนต์ไดโพลทันทีของพวกมันจะสัมพันธ์กัน และทิศทางของพวกมันจะเปลี่ยนไป "ตามเวลา" ความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางของโมเมนต์ไดโพลทันทีของอะตอม (หรือไอออนที่มีอิเล็กตรอน) จะลดพลังงานศักย์ของระบบลงด้วยจำนวนที่เรียกว่าพลังงานปฏิสัมพันธ์การกระจายตัว (หรือขนาดของเอฟเฟกต์ลอนดอน)

สาระสำคัญของปรากฏการณ์ลอนดอนคืออิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลสามารถเปรียบเสมือนอนุภาคที่สั่นรอบนิวเคลียส - ออสซิลเลเตอร์ ตามแนวคิดเชิงกลควอนตัมสมัยใหม่ ออสซิลเลเตอร์ใดๆ ก็ตาม แม้จะอยู่ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ก็ยังดำเนินการสิ่งที่เรียกว่าการแกว่งเป็นศูนย์ด้วยพลังงาน =h 0 /2, โดยที่  0 คือความถี่การแกว่งของออสซิลเลเตอร์

(3.7);

พลังงานของอันตรกิริยาการกระจาย เช่นเดียวกับอันตรกิริยาเชิงทิศทางและเชิงอุปนัย ของอนุภาคคู่หนึ่งจะแปรผกผันกับกำลังที่หกของระยะทาง อย่างไรก็ตามในการคำนวณความร้อนของการระเหยของของเหลวโดยประมาณควรแนะนำปัจจัยแก้ไขโดยคำนึงถึงหมายเลขประสานงานและปัจจัยอื่น ๆ เช่น พารามิเตอร์ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคกับสภาพแวดล้อม

คุณลักษณะของปฏิกิริยาการกระจายตัวคือความเป็นสากล - โมเลกุลทั้งหมดมีอิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่ ดังนั้นปฏิสัมพันธ์การกระจายตัวจึงมีความสำคัญสำหรับโมเลกุลทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้น และสำหรับโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว เอฟเฟกต์ลอนดอนเป็นแหล่งกำเนิดหลักและในทางปฏิบัติเพียงแหล่งเดียวของแรง van der Waals (หากการหลอมละลายหรือผลึกของสารที่ไม่มีขั้วไม่ได้รับการกำจัดสิ่งเจือปนจากขั้วอย่างเพียงพอ ปฏิกิริยาแบบเหนี่ยวนำก็สามารถแสดงตรงนั้นได้เช่นกัน แต่การมีส่วนร่วมในกรณีนี้นั้นมีน้อยมาก) ปฏิกิริยาการกระจายตัวยังส่งผลต่อพลังงานการจับตัวของไอออนในโมเลกุลและผลึกไอออนิกอีกด้วย

ปฏิกิริยาระหว่างการกระจายตัวมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของสารส่วนใหญ่ พวกมันยังสร้างเปลือกที่ไม่ชอบน้ำของออร์แกเนลล์และเยื่อหุ้มเซลล์ เนื่องจากไม่ชอบน้ำ (ส่วนใหญ่กระจายตัวและ t ส่วนหนึ่งคือพันธะอุปนัย - ส่วนที่ไม่มีขั้วของอนุมูลกรดอะมิโนในโครงสร้างของโปรตีนและอนุมูลนิวคลีโอไทด์ในโครงสร้างของกรดนิวคลีอิก, อนุมูลไขมันในเปลือกไขมัน ฯลฯ เป็นระเบียบเรียบร้อย; และไม่สร้างความไม่แน่นอนของตำแหน่งในโมเลกุลและออร์แกเนลล์โดยรวมอย่างอิสระ หวาดกลัวและรบกวนการทำงานของร่างกาย

การขับไล่ของ Van der Waals

(เอฟเฟคของพอลลี)

แรงระยะไกลหลักสามประเภทที่รับผิดชอบแรงดึงดูดของแวนเดอร์วาลส์ระหว่างโมเลกุลได้อธิบายไว้ข้างต้น: ผลกระทบของลอนดอน, Kesom และ Debye เมื่อโมเลกุล (หรือส่วนของพวกมัน) เข้าใกล้กันมากขึ้น พร้อมกับแรงระยะยาวที่กล่าวข้างต้น แรงระยะสั้นที่เกิดขึ้นเมื่อเมฆอิเล็กตรอนของโมเลกุล (หรือบางส่วนของโมเลกุล) ทับซ้อนกันจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนเช่นกัน ในระยะทางไกล แรงเหล่านี้ไม่มีนัยสำคัญ เนื่องจากความหนาแน่นของอิเล็กตรอนลดลงจนเกือบเป็นศูนย์แล้วที่ระยะห่างประมาณ 3 Å จากนิวเคลียสของอะตอม

การทับซ้อนของเมฆอิเล็กตรอนสามารถนำไปสู่ผลลัพธ์ได้สองประเภท: หากอนุภาคมีออร์บิทัลโมเลกุลอิสระที่บรรจุไม่สมบูรณ์หรืออยู่ต่ำ ก็สามารถก่อตัวขึ้นระหว่างผู้บริจาคและผู้รับ การประสานงาน ระหว่างโมเลกุล และสารประกอบทางเคมีอื่นๆ แรงระยะสั้นประเภทอื่น - แรงผลักของ van der Waals ที่เกิดขึ้นเมื่อเปลือกอิเล็กตรอนอะตอมหรือโมเลกุลที่เต็มไปหมดทับซ้อนกันซึ่งเกี่ยวข้องกับการปรากฏของหลักการของ Pauli

หลักการของเพาลี (หลักการกีดกันของเพาลี, หลักการกีดกันของเพาลี) มีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมของระบบอิเล็กตรอนจำนวนมาก ตามหลักการของเพาลี สปินออร์บิทัลหนึ่งวงไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมสี่ชุดเดียวกันได้ หลักการกีดกันของเพาลีอ้างอิงถึงกฎพื้นฐานของธรรมชาติและแสดงคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งไม่เพียงแต่ของอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ ทั้งหมดที่มีเลขควอนตัมการหมุนของจำนวนครึ่งจำนวนเต็ม (รวมถึงโปรตอน นิวตรอน อนุภาคมูลฐานอื่นๆ อีกมากมายเช่นกัน มีนิวเคลียสของอะตอมมาก)

แรงผลักดันของ Van der Waals เป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล ในระยะทางสั้นๆ พวกมันมีความสำคัญและเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อเข้าใกล้ พลังงานของแรงผลักระหว่างโมเลกุลมักจะประมาณได้จากนิพจน์ต่อไปนี้:

(3.8);

A และ ρ เป็นค่าคงที่ที่กำหนดระหว่างการชนกันของอะตอมของก๊าซเฉื่อยและ m ที่ง่ายที่สุด โมเลกุล

แผนการทดลองและตัวอย่างภาพที่ได้

ทีมนักฟิสิกส์นานาชาติจากสหรัฐอเมริกาและจีนที่ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน ได้รับภาพอะตอมซีนอนชั้นเดียวเป็นครั้งแรก ซึ่งตามที่ผู้เขียนแนะนำ มีการพิมพ์พันธะของ van der Waals ไว้ บทความที่ตีพิมพ์ใน วารสารจดหมายเคมีเชิงฟิสิกส์.

แรงแวนเดอร์วาลส์เป็นหนึ่งในปฏิกิริยาระหว่างอะตอมที่อ่อนแอที่สุด แต่ลักษณะเฉพาะของพวกมันคือพวกมันแสดงออกมาระหว่างอะตอมของธาตุใด ๆ โดยไม่คำนึงถึงความสัมพันธ์ทางเคมีของพวกมัน ด้วยเหตุนี้ แรงแวนเดอร์วาลส์จึงดำรงอยู่แม้ระหว่างอะตอมของก๊าซเฉื่อย ซึ่งนำไปสู่การเชื่อมโยงที่อ่อนแอและการก่อตัวของสสารควบแน่น (ของเหลวและของแข็ง) แม้ว่าบทบาทของปฏิสัมพันธ์ของ van der Waals ในกระบวนการต่าง ๆ จะเป็นที่รู้จักกันดี แต่ก็ยังไม่ได้รับการบันทึกอย่างชัดเจนเนื่องจากยังไม่ชัดเจนว่าแรงเหล่านี้มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่ชัดเจนที่สามารถ "มองเห็น" หรือไม่ " ด้วยความช่วยเหลือของการทดลองบางอย่าง

ผู้เขียนงานใหม่ได้ตรวจสอบชั้นของอะตอมซีนอนที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวต่างๆ เช่น ผลึกเงินและโมเลกุลอินทรีย์ขนาดใหญ่ ในการทำเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนพร้อมหัววัดสีเงิน ซึ่งส่วนท้ายของโมเลกุลคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ถูกดูดซับไว้ สัญญาณคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานการสั่นสะเทือนของโมเลกุลนี้ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม ตัวอย่างเช่น เมื่อโพรบอยู่เหนือเส้นธรรมดาที่เชื่อมต่ออะตอมซีนอนสองอะตอม พลังงานการสั่นสะเทือนของ CO จะลดลง และเมื่อมันเคลื่อนเข้าสู่ "โพรง" ระหว่าง อะตอมข้างเคียงสามอะตอมก็เพิ่มขึ้น

จากผลการวิจัย ผู้เขียนได้รับแผนที่ที่แสดงภาพซีนอนที่ถูกดูดซับ อะตอมของก๊าซเฉื่อยสามารถมองเห็นได้ชัดเจน แต่ยังมองเห็นเส้นที่เชื่อมระหว่างอะตอมใกล้เคียงอีกด้วย ผู้เขียนตีความข้อมูลเหล่านี้เป็นการแสดงภาพปฏิสัมพันธ์ของแวน เดอร์ วาลส์ เนื่องจากความไวของโพรบ CO ทำให้สามารถแยกแยะความแตกต่างได้แม้กระทั่งการบิดเบือนที่เล็กน้อยในสภาพแวดล้อม

รูปภาพที่ได้รับสำหรับอะตอมซีนอนที่ไม่เป็นระเบียบ: (ac) การผ่อนปรนที่ได้รับในโหมดกระแสคงที่; (d-f) กระแสน้ำในอุโมงค์ที่ความสูงคงที่ รวมถึงอนุพันธ์อันดับ 1 และ 2 ที่เกี่ยวข้องกับความต่างศักย์

ภาพ: Zhumin Han et al./ J. Phys เคมี. เล็ตต์

งานใหม่นี้ทำให้เกิดการอภิปรายในหมู่นักฟิสิกส์ที่ใกล้ชิดกับสาขานี้ แม้ว่าผู้เข้าร่วมจะเห็นด้วยกับระดับการทดลองที่สูงของการศึกษา แต่ไม่ใช่ทุกคนที่ยอมรับการตีความที่เสนอโดยผู้เขียน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานที่เกี่ยวข้อง ผู้เขียนได้ตรวจสอบว่าพันธะไฮโดรเจนสามารถมองเห็นได้ดีเพียงใดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมกับหัววัด CO ในบทความนี้ นักวิทยาศาสตร์สรุปว่าเส้นแบ่งระหว่างอะตอมที่พบในแผนที่เกิดจากการบิดเบือนในการวัดแรง ดังนั้นจึงไม่สามารถพิจารณาการแสดงพันธะไฮโดรเจนได้

ปฏิสัมพันธ์ของแวน เดอร์ วาลส์ไม่เพียงแต่มีบทบาทในระดับที่ใกล้เคียงกับขนาดของอะตอมหรือโมเลกุลเท่านั้น เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในกรณีของการควบแน่นของก๊าซเฉื่อย เนื่องจากความจริงที่ว่าแรงเหล่านี้เป็นสารเติมแต่ง ในระหว่างปฏิสัมพันธ์ของวัตถุขนาดใหญ่สองตัว (เช่น อนุภาคคอลลอยด์) การมีส่วนร่วมจากอะตอมทั้งหมดจะถูกสรุป ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การปรากฏตัวของปฏิสัมพันธ์ที่ไม่สามารถสังเกตเห็นได้อีกต่อไปที่ นาโนมากกว่าระดับไมโคร ดังนั้น ในทฤษฎีที่รู้จักกันดีซึ่งอธิบายความเสถียรของสารละลายคอลลอยด์ (ซึ่งรวมถึงอนุภาคนาโนทุกชนิด สารแขวนลอยของจุดควอนตัม และอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน) ปฏิกิริยาของแวนเดอร์วาลส์มีบทบาทสำคัญประการหนึ่งและนำไปสู่ การเกาะตัวของอนุภาคและการตกตะกอนหากระบบไม่เสถียรเพิ่มเติม

ทารัส โมโลติลิน

แรงแวนเดอร์วาลส์ซึ่งเป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีองค์ประกอบ 3 ส่วน ได้แก่ ปฏิกิริยาเชิงทิศทาง อุปนัย และการกระจายตัว

ปฐมนิเทศ(ไดโพล-ไดโพล) อันตรกิริยาปรากฏขึ้นระหว่างโมเลกุลที่มีขั้ว อันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนแบบสุ่มของโมเลกุล เมื่อพวกมันเข้าใกล้กัน ปลายไดโพลที่มีประจุคล้ายกันจะผลักกัน และปลายที่มีประจุตรงข้ามจะดึงดูดกัน ยิ่งโมเลกุลมีขั้วมากเท่าใด แรงดึงดูดของพวกมันก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น

การเหนี่ยวนำปฏิกิริยาของโมเลกุลเกิดขึ้นเนื่องจากไดโพลเหนี่ยวนำ ให้เราสมมติว่ามีโมเลกุลที่มีขั้วและไม่มีขั้ว ภายใต้อิทธิพลของโมเลกุลที่มีขั้ว โมเลกุลที่ไม่มีขั้วจะมีรูปร่างผิดปกติและมีไดโพลปรากฏ (เหนี่ยวนำ) อยู่ในนั้น ไดโพลเหนี่ยวนำจะถูกดึงดูดไปยังไดโพลถาวรของโมเลกุลขั้วโลก และเพิ่มโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของโมเลกุลขั้วโลก ยิ่งโมเมนต์ไดโพลและความสามารถในการโพลาไรซ์ของโมเลกุลมากเท่าใด ปฏิสัมพันธ์เชิงอุปนัยก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

กระจายตัวปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลซึ่งกันและกันเนื่องจากไมโครไดโพลที่เกิดขึ้นทันที เมื่อโมเลกุลเข้าใกล้กัน การวางแนวของไมโครไดโพลจะไม่เป็นอิสระต่อกัน และการปรากฏและการหายไปในโมเลกุลที่แตกต่างกันจะเกิดขึ้นตามเวลาซึ่งกันและกัน ลักษณะซิงโครนัสและการหายตัวไปของไมโครไดโพลของโมเลกุลต่าง ๆ นั้นมาพร้อมกับพวกมัน

สถานที่ท่องเที่ยว. ในกรณีที่ไม่มีการซิงโครไนซ์ในลักษณะและการหายไปของไมโครไดโพลจะเกิดการผลักกัน

พวกมันมีลักษณะทางกายภาพที่แตกต่างกันเล็กน้อย แต่ศักยภาพของมันขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างโมเลกุลในลักษณะเดียวกัน สิ่งนี้ทำให้สามารถเปรียบเทียบค่าคงที่อันตรกิริยาที่สอดคล้องกับองค์ประกอบทั้งสามของแรงฟานเดอร์วาลส์ได้โดยตรง และเนื่องจากการขึ้นอยู่กับระยะทางที่เหมือนกัน สัดส่วนระหว่างองค์ประกอบต่างๆ จะถูกรักษาไว้ที่ต่างกัน ค่าคงที่ของตัวคูณจะแตกต่างกันไปตามสารต่างๆ

ส่วนประกอบทั้งสามของแรงแวนเดอร์วาลส์นั้นขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาของไดโพล ดังนั้นให้เรานึกถึงสูตรหลักทั้งสองสูตร

เวกเตอร์หน่วยอยู่ที่ไหนในทิศทาง
ไปยังไดโพลจากจุดที่เรากำลังมองหาสนาม

พันธะไฮโดรเจน

ไม่มีดาวเคราะห์ดวงใดในระบบสุริยะที่มีน้ำบนพื้นผิวมากเท่ากับโลกของเรา ทะเลและมหาสมุทรที่มีความลึกเฉลี่ยประมาณ 6 กม. ครอบคลุม 71% ของพื้นผิวโลก น้ำจำนวนมหาศาลในรูปของหิมะและน้ำแข็งกระจุกตัวอยู่ในบริเวณขั้วโลก

ข้อเท็จจริงอันน่าอัศจรรย์นี้ยังไม่พบคำอธิบายที่ชัดเจน แน่นอนว่าน้ำมีบทบาทสำคัญในการเกิดขึ้นและการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนโลกของเรา นี่เป็นสาเหตุหลักมาจากคุณสมบัติที่ไม่มีเพื่อนบ้านและอะนาล็อกที่ใกล้เคียงที่สุด ก่อนอื่น เราต้องเข้าใจว่าเหตุใดน้ำจึงสามารถอยู่ในสถานะของเหลวและแม้แต่สถานะของแข็ง (น้ำแข็ง) ได้ภายใต้สภาวะที่สารประกอบไฮโดรเจนที่มีธาตุหนักกว่า (ซัลเฟอร์ ซีลีเนียม ฯลฯ) ที่คล้ายกันจึงเป็นก๊าซ

โมเลกุลของน้ำมีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ดังต่อไปนี้:

คู่อิเล็กตรอนสองคู่ก่อให้เกิดพันธะโควาเลนต์เชิงขั้วระหว่างอะตอมไฮโดรเจนและออกซิเจน และคู่อิเล็กตรอนอีกสองคู่ที่เหลือยังคงเป็นอิสระและถูกเรียกว่า ไม่แชร์- โมเลกุลของน้ำมีโครงสร้างเป็นมุม โดยมีมุม H–O–H เท่ากับ 104.5 องศา

การมีอยู่ของโมเลกุล H 2 O ของคู่อิเล็กตรอนเดี่ยวบนอะตอมออกซิเจนและอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุบวกทำให้เกิดปฏิกิริยาพิเศษระหว่างโมเลกุลที่เรียกว่า พันธะไฮโดรเจน(ภาพที่ 7-1) ต่างจากพันธะเคมีทุกประเภทที่เราคุ้นเคยอยู่แล้ว พันธะนี้กลับเป็นเช่นนั้น ระหว่างโมเลกุล .

พันธะไฮโดรเจน (ระบุด้วยเส้นประในรูป) เกิดขึ้นเมื่ออะตอมไฮโดรเจนที่สูญเสียอิเล็กตรอนของโมเลกุลน้ำหนึ่งทำปฏิกิริยากับอะตอมออกซิเจนคู่อิเล็กตรอนของโมเลกุลน้ำอีกโมเลกุลหนึ่ง

ข้าว. 7-1. พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำ (ระบุด้วยเส้นประ)

พันธะไฮโดรเจนเป็นกรณีพิเศษ พันธะระหว่างโมเลกุล- เชื่อกันว่ามีสาเหตุหลักมาจากแรงไฟฟ้าสถิต เพื่อให้เกิดพันธะไฮโดรเจน โมเลกุลจะต้องมีอะตอมไฮโดรเจนตั้งแต่หนึ่งอะตอมขึ้นไปที่จับตัวกับอะตอมที่มีขนาดเล็กแต่มีประจุลบ เช่น O, N, F สิ่งสำคัญคืออะตอมอิเล็กโทรเนกาติวิตีเหล่านี้จะต้องมีอิเล็กตรอนคู่เดียว ดังนั้นพันธะไฮโดรเจนจึงเป็นลักษณะของสารเช่นน้ำ H 2 O, แอมโมเนีย NH 3, ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ HF ตัวอย่างเช่น โมเลกุล HF เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ซึ่งแสดงในรูปด้วยเส้นประ:

พันธะไฮโดรเจนมีความอ่อนกว่าพันธะโควาเลนต์ประมาณ 20 เท่า แต่เป็นสิ่งที่ทำให้น้ำกลายเป็นของเหลวหรือน้ำแข็ง (แทนที่จะเป็นก๊าซ) ภายใต้สภาวะปกติ พันธะไฮโดรเจนจะถูกทำลายก็ต่อเมื่อน้ำของเหลวกลายเป็นไอเท่านั้น

ที่อุณหภูมิสูงกว่า 0°C (แต่ต่ำกว่าจุดเดือด) น้ำจะไม่มีโครงสร้างระหว่างโมเลกุลที่ได้รับคำสั่งอีกต่อไป ดังแสดงในรูปที่ 1 7-1. ดังนั้นในน้ำของเหลว โมเลกุลจึงเชื่อมต่อถึงกันเฉพาะในมวลรวมที่แยกจากกันของหลายโมเลกุล มวลรวมเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระที่อยู่ติดกัน ก่อตัวเป็นของเหลวเคลื่อนที่ได้ แต่เมื่ออุณหภูมิลดลง ลำดับก็จะเพิ่มมากขึ้น และมวลรวมก็ใหญ่ขึ้น ในที่สุดน้ำแข็งก็ก่อตัวขึ้นซึ่งมีโครงสร้างตามลำดับดังแสดงในรูป

ในผลึกน้ำแข็ง ช่องว่างยังคงอยู่ระหว่างโมเลกุล ปริมาตรของช่องว่างเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของโมเลกุล H2O แต่ละตัว ดังนั้น น้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำของเหลวและลอยอยู่บนผิวน้ำ สารอื่นๆ ส่วนใหญ่จะเพิ่มความหนาแน่นเมื่อถูกแช่แข็ง

ดังนั้น พันธะไฮโดรเจนทำให้น้ำมีคุณสมบัติพิเศษอีกอย่างหนึ่ง หากไม่มีสิ่งมีชีวิตที่หลากหลายก็แทบจะไม่มีอยู่ในพื้นที่เหล่านั้นของโลกที่อุณหภูมิในฤดูหนาวลดลงต่ำกว่า 0°C หากน้ำแข็งจมลงในน้ำ ในฤดูหนาวแหล่งน้ำทั้งหมดก็จะแข็งตัวจนสุดพื้นน้ำ เป็นเรื่องยากที่จะคาดหวังว่าปลาจะยอมอยู่ในสภาพเช่นนี้ บุคคลสามารถละลายน้ำแข็งและเปลี่ยนเป็นน้ำได้ตามความต้องการ แต่จะต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมจำนวนมหาศาล

การละลาย

การละลายเป็นกระบวนการที่ย้อนกลับได้: ขึ้นอยู่กับสภาวะ การละลายหรือการปล่อยสารที่ละลายออกจากสารละลายจะเกิดขึ้น เนื่องจากกระบวนการละลายสามารถย้อนกลับได้ หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์จึงสามารถนำมาใช้ได้ หากการละลายของสารเกิดขึ้นพร้อมกับการดูดซับความร้อน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ความสามารถในการละลายเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม หากความร้อนถูกปล่อยออกมาเมื่อสารละลาย อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ความสามารถในการละลายลดลง ในกรณีส่วนใหญ่ ความสามารถในการละลายของเกลือจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น สำหรับบางชนิดปานกลาง (NaCl) และสำหรับบางชนิดที่มีความเข้มข้นสูงมาก (KNO3, AgNO3) และในบางกรณีเท่านั้นที่ความสามารถในการละลายลดลง

สารละลายเรียกว่าอิ่มตัวหากอยู่ในสภาวะสมดุลกับเฟสของแข็งของสารที่ละลายและมีปริมาณสูงสุดที่เป็นไปได้ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด (เกิดสมดุลไดนามิก)

สารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำกว่าความเข้มข้นของสารละลายอิ่มตัว เรียกว่า สารละลายไม่อิ่มตัว ในสารละลายดังกล่าว สามารถละลายสารในปริมาณเพิ่มเติมได้ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน นอกจากนี้ยังมีสารละลายอิ่มตัวยวดยิ่งที่มีสารมากกว่าที่คาดไว้จากการละลายได้ภายใต้สภาวะที่กำหนด (ได้มาจากสารละลายทำความเย็นที่ได้รับที่อุณหภูมิสูงกว่า สารละลายดังกล่าวสามารถแพร่กระจายได้ “เมล็ด” ในรูปของผลึกหรือถูแท่งแก้วกับผนังของ เรือทำให้เกิดการตกผลึกอย่างรุนแรงของสาร)