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Van Der Waals Forces Definition

Van-der-Waals-Kräfte sind die schwachen Kräfte, die zur intermolekularen Bindung  zwischen Molekülen beitragen . Moleküle besitzen von Natur aus Energie und ihre Elektronen sind immer in Bewegung, so dass vorübergehende Konzentrationen von Elektronen in der einen oder anderen Region dazu führen, dass elektrisch positive Regionen eines Moleküls von den Elektronen eines anderen Moleküls angezogen werden. In ähnlicher Weise werden negativ geladene Regionen eines Moleküls durch negativ geladene Regionen eines anderen Moleküls abgestoßen.

Van-der-Waals-Kräfte sind die Summe der anziehenden und abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen Atomen und Molekülen. Diese Kräfte unterscheiden sich von kovalenten und ionischen chemischen Bindungen, weil sie aus Schwankungen der Ladungsdichte von Partikeln resultieren. Beispiele für Van-der-Waals-Kräfte umfassen Wasserstoffbrücken. Dispersionskräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.

Wichtige Imbissbuden: Van der Waals-Streitkräfte

  • Van-der-Waals-Kräfte sind abstandsabhängige Kräfte zwischen Atomen und Molekülen, die nicht mit kovalenten oder ionischen chemischen Bindungen verbunden sind.
  • Manchmal wird der Begriff verwendet, um alle intermolekularen Kräfte zu erfassen, obwohl einige Wissenschaftler nur die Londoner Dispersionskraft, die Debye-Kraft und die Keesom-Kraft unter sich haben.
  • Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten der chemischen Kräfte, spielen jedoch immer noch eine wichtige Rolle für die Eigenschaften von Molekülen und für die Oberflächenforschung.

 

Eigenschaften der Van-der-Waals-Kräfte

Bestimmte Merkmale werden von Van-der-Waals-Kräften angezeigt:

  • Sie sind additiv.
  • Sie sind schwächer als ionische oder kovalente chemische Bindungen.
  • Sie sind nicht gerichtet.
  • Sie wirken nur über eine sehr kurze Reichweite. Die Wechselwirkung ist größer, wenn Moleküle näher kommen.
  • Sie sind mit Ausnahme von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen temperaturunabhängig.

 

Komponenten der Van-der-Waals-Kräfte

Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten intermolekularen Kräfte. Ihre Stärke reicht typischerweise von 0,4 Kilojoule pro Mol (kJ / mol) bis 4 kJ / mol und wirkt über Entfernungen von weniger als 0,6 Nanometern (nm). Wenn der Abstand weniger als 0,4 nm beträgt, ist der Nettoeffekt der Kräfte abstoßend, da sich Elektronenwolken gegenseitig abstoßen.

Es gibt vier Hauptbeiträge zu den Van-der-Waals-Kräften:

  1. Eine negative Komponente verhindert das Zusammenfallen von Molekülen. Dies ist auf das Pauli-Ausschlussprinzip zurückzuführen .
  2. Zwischen permanenten Ladungen, Dipolen. Quadrupolen und Multipolen tritt entweder eine attraktive oder eine abstoßende elektrostatische Wechselwirkung auf . Diese Interaktion wird Keesom-Interaktion oder Keesom-Kraft genannt, benannt nach Willem Hendrik Keesom.
  3. Induktion oder Polarisation tritt auf. Dies ist eine Anziehungskraft zwischen einer permanenten Polarität an einem Molekül und einer induzierten Polarität an einem anderen. Diese Interaktion wird für Peter JW Debye als Debye-Kraft bezeichnet.
  4. Die Londoner Dispersionskraft ist die Anziehungskraft zwischen jedem Molekülpaar aufgrund der sofortigen Polarisation. Die Truppe ist nach Fritz London benannt. Beachten Sie, dass selbst unpolare Moleküle eine Londoner Dispersion erfahren.

 

Van-der-Waals-Streitkräfte, Geckos und Arthropoden

Geckos, Insekten und einige Spinnen haben Setae auf den Fußpolstern, die es ihnen ermöglichen, extrem glatte Oberflächen wie Glas zu besteigen. Tatsächlich kann ein Gecko sogar an einem einzigen Zeh hängen! Wissenschaftler haben mehrere Erklärungen für das Phänomen angeboten, aber es stellt sich heraus, dass die Hauptursache für die Adhäsion, mehr als die Van-der-Waals-Kräfte oder die Kapillarwirkung, die elektrostatische Kraft ist .

Forscher haben Trockenkleber und Klebeband basierend auf der Analyse von Gecko- und Spinnenfüßen hergestellt. Die Klebrigkeit resultiert aus winzigen klettartigen Haaren und Lipiden, die an Geckofüßen gefunden werden.

Geckofüße sind aufgrund von Van-der-Waals-Kräften, elektrostatischen Kräften und Lipiden auf ihrer Haut klebrig. StephanHoerold / Getty Images

 

Real-Life Spider-Man

Im Jahr 2014 testete die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) seine Gecko-inspirierte Geckskin, ein Material auf der Setae der Basis Gecko Fuß – Pads und bestimmt Militärpersonal Spider-Man-ähnliche Fähigkeiten zu geben. Ein 220-Pfund-Forscher, der zusätzlich 45 Pfund Ausrüstung trug, erklomm erfolgreich eine 26-Fuß-Glaswand mit zwei Kletterpaddeln.

Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, Van-der-Waals-Kräfte einzusetzen, um Menschen dabei zu helfen, sich an glatten Oberflächen wie Glas und Wänden festzuhalten. OrangeDukeProductions / Getty Images

 

Quellen

  • Kellar, Autumn et al. „Beweise für die Van-der-Waals-Adhäsion in Gecko Setae.“ Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften , vol. 99, nein. 19, 2002, 12252–6. doi: 10.1073 / pnas.192252799.
  • Dzyaloshinskii, IE, et al. „Allgemeine Theorie der Kräfte von Van der Waals.“ Sowjetische Physik Uspekhi , vol. 4, nein. 2, 1961. doi: 10.1070 / PU1961v004n02ABEH003330.
  • Israelachvili, J. Intermolekulare und Oberflächenkräfte . Academic Press, 1985.
  • Parsegian, VA Van der Waals Forces: Ein Handbuch für Biologen, Chemiker, Ingenieure und Physiker. Cambridge University Press, 2005.
  • Wolff, JO, Gorb, SN „Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Bindungsfähigkeit der Spinne Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae).“ Verfahren der Royal Society B: Biological Sciences , vol. 279, nein. 1726, 2011. doi:  10.1098 / rspb.2011.0505 .

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