2.13: Interakcje Van der Waalsa

Atomy i cząsteczki oddziałują ze sobą poprzez siły międzycząsteczkowe. Te siły elektrostatyczne powstają w wyniku przyciągających lub odpychających oddziaływań pomiędzy cząstkami posiadającymi ładunki stałe, częściowe lub tymczasowe. Siły międzycząsteczkowe między obojętnymi atomami i cząsteczkami to siły jonowo–dipolowe, dipolowo–dipolowe i dyspersyjne, zwane łącznie siłami van der Waalsa.

Cząsteczki polarne mają częściowy ładunek dodatni na jednym końcu i częściowy ładunek ujemny na drugim końcu cząsteczki, tworząc dipol. W cząsteczce polarnej, takiej jak woda, bardziej elektroujemny atom tlenu ma częściowy ładunek ujemny, a mniej elektroujemny atom wodoru ma częściowy ładunek dodatni. Cząsteczki wody przyciągają się wzajemnie ze względu na dodatni koniec jednej cząsteczki wody i ujemny koniec drugiej. Ta siła przyciągania nazywana jest przyciąganiem dipolowo–dipolowym.

Siła jonowo–dipolowa to przyciąganie elektrostatyczne pomiędzy jonem a dipolem. Siły te są powszechne w roztworach i odgrywają ważną rolę w rozpuszczaniu związków jonowych w wodzie. Kiedy związek jonowy, taki jak KCl, zostanie dodany do polarnego rozpuszczalnika, takiego jak woda, jony w substancji stałej oddzielają się i równomiernie rozpraszają. Siły jonowo–dipolowe przyciągają dodatni koniec cząsteczek wody polarnej do ujemnych jonów chlorkowych na powierzchni ciała stałego i przyciągają ujemne końce do dodatnich jonów potasu. Cząsteczki wody otaczają poszczególne jony K⁺ i Cl^-, redukując silne siły międzyjonowe, które łączą je w ciało stałe i rozpuszczając. Siła oddziaływań jon–dipol jest wprost proporcjonalna do i) ładunku jonu oraz ii) wielkości dipola cząsteczek polarnych.

Siły dyspersji występują we wszystkich fazach skondensowanych, niezależnie od rodzaju atomów lub cząsteczek tworzących substancję. Te siły przyciągające nazywane są także londyńskimi siłami dyspersyjnymi na cześć urodzonego w Niemczech amerykańskiego fizyka Fritza Londona, który jako pierwszy wyjaśnił je w 1928 r. Elektrony atomu lub cząsteczki są w ciągłym ruchu w dowolnym momencie i atom lub cząsteczka może się rozwinąć w tymczasowy, chwilowy dipol, jeśli jego elektrony są rozmieszczone asymetrycznie. Obecność tego dipola może z kolei zniekształcić elektrony sąsiedniego atomu lub cząsteczki, tworząc indukowany dipol. Te szybko zmieniające się, tymczasowe dipole powodują stosunkowo słabe przyciąganie elektrostatyczne między gatunkami — tak zwaną siłę dyspersji. Siły dyspersji są stosunkowo słabe i stają się znaczące dopiero wtedy, gdy cząsteczki zbliżą się bardzo blisko. Większe i cięższe atomy i cząsteczki wykazują silniejsze siły dyspersji niż mniejsze i lżejsze.

Ten tekst pochodzi z Openstax, Chemistry 2e, Chapter 10: Liquids and Solids.

Oddziaływania van der Waalsa to słabe siły międzycząsteczkowe powstające w wyniku oddziaływań elektrostatycznych między neutralnymi atomami i cząsteczkami.

Wszystkie cząsteczki wytwarzają ładunki tymczasowe.

Ze względu na zmienny rozkład elektronów, wyższa gęstość elektronów w jednym obszarze chmury elektronów powoduje powstanie dipola chwilowego lub dipola tymczasowego.

To z kolei indukuje kolejny chwilowy dipol w sąsiedniej cząsteczce. Efekt domina dipoli powoduje powstawanie słabych międzycząsteczkowych sił przyciągania, które występują między wszystkimi cząsteczkami, zarówno polarnymi, jak i niepolarnymi.

Dipole w cząsteczkach polarnych, takich jak woda, oddziałują elektrostatycznie poprzez siły dipol-dipol.

Siły dipolowe indukowane dipolem występują, gdy cząsteczka polarna, taka jak woda, zakłóca układ elektronowy cząsteczki niepolarnej, takiej jak dwuatomowy tlen, i indukuje dipol.

Chwilowe dipole dowolnego typu atomu lub cząsteczki oddziałują poprzez słabe siły dyspersji Londona.

Siły te są przyciągające, gdy atomy są wystarczająco blisko, aby ich chmury elektronów mogły się po prostu zetknąć. Jeśli atomy zbliżą się do siebie, siły te stają się odpychające.