In der physischen Chemie ist die Kraft von van der Waals (oder Wechselwirkung von van der Waals), genannt nach dem holländischen Wissenschaftler Johannes Diderik van der Waals, die Summe der attraktiven oder abstoßenden Kräfte zwischen Molekülen (oder zwischen Teilen desselben Moleküls) anders als diejenigen wegen covalent Obligationen oder zur elektrostatischen Wechselwirkung von Ionen miteinander oder mit neutralen Molekülen. Der Begriff schließt ein:

• Kraft zwischen zwei dauerhaften Dipolen (Kraft von Keesom)
• Kraft zwischen einem dauerhaften Dipol und einem entsprechenden veranlassten Dipol (Kraft von Debye)
• Kraft zwischen zwei sofort veranlassten Dipolen (Londoner Streuungskraft)

Es wird auch manchmal lose als ein Synonym für die Gesamtheit von zwischenmolekularen Kräften verwendet. Kräfte von Van der Waals sind im Vergleich zu normalen chemischen Obligationen relativ schwach, aber spielen eine grundsätzliche Rolle in Feldern so verschieden wie supramolecular Chemie, Strukturbiologie, Polymer-Wissenschaft, Nanotechnologie, Oberflächenwissenschaft und kondensierte Sache-Physik. Kräfte von Van der Waals definieren den chemischen Charakter von vielen organischen Zusammensetzungen. Sie definieren auch die Löslichkeit von organischen Substanzen in polaren und nichtpolaren Medien.

Im niedrigen Molekulargewicht alcohols beherrschen die Eigenschaften der polaren hydroxyl Gruppe die schwachen zwischenmolekularen Kräfte von van der Waals.

Im höheren Molekulargewicht alcohols beherrschen die Eigenschaften der nichtpolaren Kohlenwasserstoff-Kette (N) und definieren die Löslichkeit. Kräfte von Van der Waals-London wachsen mit der Länge des nichtpolaren Teils der Substanz.

Definition

Kräfte von Van der Waals schließen Attraktionen zwischen Atomen, Molekülen, und Oberflächen, sowie anderen zwischenmolekularen Kräften ein. Sie unterscheiden sich von covalent und dem ionischen Abbinden, in dem sie durch Korrelationen in den schwankenden Polarisationen von nahe gelegenen Partikeln (eine Folge der Quant-Dynamik) verursacht werden.

Zwischenmolekulare Kräfte haben vier Hauptbeiträge:

1. Ein abstoßender Bestandteil, der sich aus dem Ausschluss-Grundsatz von Pauli ergibt, der den Zusammenbruch von Molekülen verhindert.
2. Attraktive oder abstoßende elektrostatische Wechselwirkungen zwischen dauerhaften Anklagen (im Fall von molekularen Ionen), Dipole (im Fall von Molekülen ohne Inversionszentrum), Quadrupole (alle Moleküle mit der Symmetrie tiefer als kubisch), und im Allgemeinen zwischen dauerhaften Mehrpolen. Die elektrostatische Wechselwirkung wird manchmal die Wechselwirkung von Keesom oder Kraft von Keesom nach Willem Hendrik Keesom genannt.
3. Induktion (auch bekannt als Polarisation), der die attraktive Wechselwirkung zwischen einem dauerhaften Mehrpol auf einem Molekül mit einem veranlassten Mehrpol auf einem anderen ist. Diese Wechselwirkung wird manchmal Kraft von Debye nach Peter J.W. Debye genannt.
4. Streuung (gewöhnlich genannt nach Fritz London), der die attraktive Wechselwirkung zwischen jedem Paar von Molekülen einschließlich nichtpolarer Atome ist, aus den Wechselwirkungen von sofortigen Mehrpolen entstehend.

zur Nomenklatur zurückkehren, beziehen sich verschiedene Texte auf verschiedene Dinge, die den Begriff "Gewalt von van der Waals" anwenden. Einige durch den van der Waals bösartige Texte zwingen die Gesamtheit von Kräften (einschließlich der Repulsion); andere bedeuten alle attraktiven Kräfte (und unterscheiden dann manchmal van der Waals-Keesom, van der Waals-Debye und van der Waals-London).

Alle zwischenmolekular / Kombi Kräfte von der Waals sind anisotropic (außer denjenigen zwischen zwei edlen Gasatomen), was bedeutet, dass sie von der Verhältnisorientierung der Moleküle abhängen. Die Induktion und Streuungswechselwirkungen sind immer, ohne Rücksicht auf die Orientierung, aber das elektrostatische Wechselwirkungsänderungszeichen nach der Folge der Moleküle attraktiv. D. h. die elektrostatische Kraft kann attraktiv oder abhängig von der gegenseitigen Orientierung der Moleküle abstoßend sein. Wenn Moleküle in der Wärmebewegung sind, wie sie in der flüssigen und Gasphase sind, wird die elektrostatische Kraft weit gehend durchschnittlich ausgemacht, weil die Moleküle thermisch rotieren und so sowohl abstoßende als auch attraktive Teile der elektrostatischen Kraft untersuchen. Manchmal wird diese Wirkung durch die Behauptung ausgedrückt, dass "die zufällige Wärmebewegung um die Raumtemperatur gewöhnlich überwinden oder sie" stören kann (der sich auf den elektrostatischen Bestandteil der Kraft von van der Waals bezieht). Klar ist die Thermalmittelwertbildungswirkung für die attraktive Induktion und Streuungskräfte viel weniger ausgesprochen.

Das Potenzial von Lennard-Jones wird häufig als ein ungefähres Modell für den isotropischen Teil einer Summe (Repulsion plus die Anziehungskraft) Kraft von van der Waals als eine Funktion der Entfernung verwendet.

Kräfte von Van der Waals sind für bestimmte Fälle des Druck-Erweiterns (van der Waals verantwortlich, der sich verbreitert) von geisterhaften Linien und der Bildung von Molekülen von van der Waals. Die Kräfte von London-van der Waals sind zur Wirkung von Casimir für dielektrische Medien, der erstere verbunden, die mikroskopische Beschreibung des letzten Hauptteil-Eigentums seiend. Die ersten ausführlichen Berechnungen davon wurden 1955 von E. M. Lifshitz getan.

Londoner Streuungskraft

Streuungskräfte von London, genannt nach dem deutsch-amerikanischen Physiker Fritz London, sind schwache zwischenmolekulare Kräfte, die aus den interaktiven Kräften zwischen sofortigen Mehrpolen in Molekülen ohne dauerhafte Mehrpol-Momente entstehen. Diese Kräfte beherrschen die Wechselwirkung von nichtpolaren Molekülen, und spielen auch eine weniger bedeutende Rolle in Kräften von Van der Waals als Moleküle, die dauerhafte Dipole oder ionisierte Moleküle enthalten. Streuungskräfte von London sind auch bekannt als Streuungskräfte, Kräfte von London oder sofortige dipolveranlasste Dipolkräfte. Sie nehmen mit der Mahlzahn-Masse zu, einen höheren Siedepunkt besonders für die Halogen-Gruppe verursachend.

Van der Waals zwingt zwischen makroskopischen Gegenständen

Für makroskopische Körper mit bekannten Volumina und Zahlen von Atomen oder Molekülen pro Einheitsvolumen wird die Gesamtkraft von van der Waals häufig gestützt auf der "mikroskopischen Theorie" als die Summe über alle aufeinander wirkenden Paare geschätzt. Es ist notwendig, über das Gesamtvolumen des Gegenstands zu integrieren, der den Berechnungsabhängigen auf den Gestalten der Gegenstände macht. Zum Beispiel wurde der Wechselwirkungsenergie von van der Waals zwischen kugelförmigen Körpern von Radien R und R und mit glatten Oberflächen 1937 von Hamaker näher gekommen (Londons berühmte 1937-Gleichung für die Streuungswechselwirkungsenergie zwischen Atomen/Molekülen als der Startpunkt verwendend), durch:

wo A der Koeffizient von Hamaker ist, der eine Konstante ist (~10 - 10 J), der von den materiellen Eigenschaften abhängt (es kann positiv oder im Zeichen abhängig vom vorläufigen Medium negativ sein), und z ist das Zentrum zum Achsabstand, d. h. die Summe von R, R, und r (die Entfernung zwischen den Oberflächen):.

In der Grenze der Ende-Annäherung sind die Bereiche im Vergleich zur Entfernung zwischen ihnen genug groß, d. h.

Die Kraft von van der Waals zwischen zwei Bereichen von unveränderlichen Radien (R und R werden als Rahmen behandelt), ist dann eine Funktion der Trennung, da die Kraft auf einem Gegenstand die Verneinung der Ableitung der potenziellen Energiefunktion ist. Das trägt:

Die Kräfte von van der Waals zwischen Gegenständen mit anderer Geometrie mit dem Modell von Hamaker sind in der Literatur veröffentlicht worden.

Vom Ausdruck oben wird es gesehen, dass die Kraft von van der Waals mit der abnehmenden Partikel-Größe (R) abnimmt. Dennoch nimmt die Kraft von Trägheitskräften, wie Ernst und Schinderei/Heben, in einem größeren Ausmaß ab. Folglich werden die Kräfte von van der Waals dominierend für Sammlungen von sehr kleinen Partikeln wie sehr feinkörnige trockene Puder (wo es keine kapillare Kraft-Gegenwart gibt), wenn auch die Anziehungskraft im Umfang kleiner ist, als es für größere Partikeln derselben Substanz ist. Wie man sagt, sind solche Puder zusammenhaltend, bedeutend, dass sie nicht so leicht fluidized oder pneumatisch befördert so leicht sind wie ihre mehr grobkörnigen Kollegen. Allgemein kommt freie Strömung mit Partikeln vor, die größer sind als ungefähr 250 μm.

Die Kraft von van der Waals des Festklebens ist auch von der Oberflächentopografie abhängig. Wenn es Oberflächenrauheiten oder Protuberanzen gibt, die auf ein größeres Gesamtgebiet des Kontakts zwischen zwei Partikeln oder zwischen einer Partikel und einer Wand hinauslaufen, vergrößert das die Anziehungskraft von van der Waals sowie die Tendenz für das mechanische Ineinanderschachteln.

Die mikroskopische Theorie nimmt pairwise Additivität an. Es vernachlässigt Vielkörperwechselwirkungen und Zurückgebliebenheit. Eine strengere Annäherung, die für diese Effekten, genannt die "makroskopische Theorie," verantwortlich ist, wurde von Lifshitz 1956 entwickelt. Langbein hat einen viel beschwerlicheren "genauen" Ausdruck 1970 für kugelförmige Körper innerhalb des Fachwerks der Theorie von Lifshitz abgeleitet, während eine einfachere makroskopische Musterannäherung von Derjaguin schon in 1934 gemacht worden war. Ausdrücke für die Kräfte von van der Waals für viele verschiedene Geometrie mit der Theorie von Lifshitz sind ebenfalls veröffentlicht worden.

Gebrauch durch geckos

Die Fähigkeit von geckos - der von einer Glasoberfläche mit nur einer Zehe abhängen kann - um auf bloßen Oberflächen zu klettern, ist den Kräften von van der Waals zwischen diesen Oberflächen und der Spachtel (Mehrzahlspatulae), oder mikroskopische Vorsprünge zugeschrieben worden, die die haarähnlichen auf ihren Straßenräubern gefundenen echten Haare bedecken. Eine spätere Studie hat darauf hingewiesen, dass kapillares Festkleben eine Rolle spielen könnte, aber dass Hypothese durch neuere Studien zurückgewiesen worden ist.

Es gab Anstrengungen 2008, um einen trockenen Leim zu schaffen, der die Wirkung ausnutzt, und Erfolg 2011 erreicht wurde, um ein klebendes Band auf dem ähnlichen Boden zu schaffen. 2011 wurde eine Zeitung veröffentlicht, die Wirkung sowohl mit einem Klettverschluss ähnlichen Haaren als auch mit der Anwesenheit von lipids in Gecko-Fußabdrücken verbindend.

Weiterführende Literatur

• Iver Brevik, V. N. Marachevsky, Kimball A. Milton, Identität der Kraft von Van der Waals und der Wirkung von Casimir und der Irrelevanz dieser Phänomene zur Sonolumineszenz, hep-th/9901011
• I. D. Dzyaloshinskii, E. M. Lifshitz, und L. P. Pitaevskii, Usp. Fiz. Nauk 73, 381 (1961)
• Englische Übersetzung: Sowjetischer Phys. Usp. 4, 153 (1961)
• L. D. Landau und E. M. Lifshitz, Elektrodynamik von Dauernden Medien, Pergamon, Oxford, 1960, Seiten 368-376.
• Dieter Langbein, "[Langbein, Theorie von Dieter der Anziehungskraft von Van der Waals, (Springer-Verlag New York Heidelberg 1974)]"
• Mark Lefers, "Streuungskraft von Van der Waals". Holmgren Laboratorium.
• E. M. Lifshitz, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 29, 894 (1955)
• Englische Übersetzung: Sowjetischer Phys. JETP 2, 73 (1956)
• Oregoner Westuniversität "Londoner Kraft". Zwischenmolekulare Kräfte. (Zeichentrickfilm)
• J. Lyklema, Grundlagen der Schnittstelle und Kolloidalen Wissenschaft, Seite 4.43
• Israelachvili J., Zwischenmolekulare und Oberflächenkräfte, Akademische Presse (1985-2004), internationale Standardbuchnummer 0-12-375181-0

Links

• Eine einleitende Beschreibung der Kraft von van der Waals (als eine Summe von attraktiven Bestandteilen nur)
• Robert Full: Das Lernen aus dem Schwanz des Geckos. TED Gespräch auf biomimicry, einschließlich Anwendungen der Kraft von Van der Waals.