范德華力
編輯在分子物理學中,以荷蘭物理學家約翰內斯·迪德里克·范德瓦爾斯命名的范德華力是原子或分子之間依賴于距離的相互作用。與離子鍵或共價鍵不同,這些吸引力不是由化學電子鍵引起的。它們相對較弱,因此更容易受到干擾。范德華力在相互作用的分子之間距離較遠時迅速消失。范德華力在超分子化學、結構生物學、聚合物科學、納米技術、表面科學和凝聚態物理等不同領域發揮著重要作用。它也是有機化合物和分子固體許多特性的基礎,包括它們在極性和非極性介質中的溶解度。如果不存在其他力,當原子彼此接近時,力變得排斥而不是吸引力的原子之間的距離稱為范德華接觸距離;這種現象是原子電子云之間相互排斥的結果。范德華力通常被描述為瞬時誘導偶極子之間的倫敦色散力、xxx偶極子和誘導偶極子之間的德拜力以及旋轉方向隨時間動態平均的xxx分子偶極子之間的Keesom力的組合。
范德華力的定義
編輯范德華力包括原子、分子和表面之間的吸引力和排斥力,以及其他分子間力。它們與共價鍵和離子鍵的不同之處在于它們是由附近粒子波動極化的相關性引起的(量子動力學的結果)。盡管是弱化學力中最弱的一種,強度在0.4和4kJ/mol之間(每個鍵4到40meV),但當存在大量此類相互作用時,它們仍可能支持整體結構載荷。該力是由電子密度的瞬態變化引起的。具體來說,電子密度可能會暫時更大地移動到原子核的一側。這會產生一個瞬態電荷,附近的原子可以被它吸引或排斥。當兩個原子的原子間距離大于0.6nm時,力不足以觀察到,而當距離低于0.4nm時,力變得排斥。分子間作用力有四個主要貢獻:<pclass="mw-empty-elt">
- 由泡利不相容原理產生的排斥成分,可防止分子坍塌。
- xxx電荷(在分子離子的情況下)、偶極子(在沒有反轉中心的分子的情況下)、四極子(對稱性低于立方的所有分子)之間以及通常在xxx多極子之間的吸引或排斥靜電相互作用。在WillemHendrikKeesom之后,靜電相互作用有時被稱為Keesom相互作用或Keesom力。
- 感應(也稱為極化),它是一個分子上的xxx多極與另一個分子上的感應多極之間的吸引力相互作用。這種相互作用有時在PeterJWDebye之后被稱為德拜力。
- 色散(通常在弗里茨倫敦之后被命名為倫敦色散相互作用),這是任何一對分子之間的吸引力相互作用,包括非極性原子,由瞬時多極的相互作用產生。
回到命名法,不同的文本使用范德華力這個詞來指代不同的事物。一些文本將范德華力描述為力的總和(包括排斥力);其他的意思是所有的吸引力(然后有時區分范德華力-基索姆、范德華力-德拜和范德華力-倫敦)。所有分子間/范德華力都是各向異性的(兩個惰性氣體原子之間的除外),這意味著它們取決于分子的相對取向。無論方向如何,感應和分散相互作用總是有吸引力的,但靜電相互作用會隨著分子的旋轉而改變符號。也就是說,靜電力可以是吸引或排斥的,這取決于分子的相互取向。當分子處于熱運動時,因為它們處于氣相和液相,靜電力在很大程度上被平均化,因為分子熱旋轉并因此探測靜電力的排斥和吸引部分。有時,這種效應表現為室溫附近的隨機熱運動通常可以克服或破壞它們(指范德華力的靜電分量)。顯然,對于吸引力的感應和色散力,熱平均效應不太明顯。Lennard-Jones勢通常用作作為距離函數的總(排斥加吸引力)范德華力的各向同性部分的近似模型。范德華力是造成譜線壓力展寬(范德華展寬)和范德華分子形成的某些情況的原因。倫敦-范德華力與介電介質的卡西米爾效應有關,前者是后者體積特性的微觀描述。EMLifshitz于1955年對此進行了xxx次詳細計算。范德華力的更一般的理論也已經發展起來。范德華力的主要特征是:
- 它們比正常的共價鍵和離子鍵弱。
- 范德華力是相加的,不能飽和。
- 它們沒有方向特性。
- 它們都是短程力,因此只需要考慮最近粒子之間的相互作用(而不是所有粒子)。如果分子更接近,范德華引力會更大。
- 除了偶極-偶極相互作用之外,范德華力與溫度無關。
在低分子量醇中,它們的極性羥基的氫鍵性質支配其他較弱的范德華相互作用。在較高分子量的醇中,非極性烴鏈的性質占主導地位并決定了它們的溶解度。
倫敦分散力
編輯倫敦色散力,以德裔美國物理學家弗里茨·倫敦命名,是由沒有xxx多極矩的分子中瞬時多極之間的相互作用力產生的弱分子間力。在有機分子內部和有機分子之間,大量的接觸可以導致分散吸引力的更大貢獻,特別是在雜原子存在的情況下。倫敦分散力也稱為“分散力”、“倫敦力”或“瞬時偶極誘導偶極力”。倫敦色散力的強度與分子的極化率成正比,而極化率又取決于電子的總數和它們分布的面積。碳氫化合物表現出小的分散貢獻,雜原子的存在導致LD力隨其極化率的變化而增加,例如順序為RI>RBr>RCl>RF。在沒有溶劑的情況下,弱極化烴由于分散力而形成晶體;它們的升華熱是色散相互作用的量度。
宏觀物體之間的范德華力
編輯對于具有已知體積和單位體積原子或分子數量的宏觀物體,總范德華力通常根據微觀理論計算為所有相互作用對的總和。從上面的表達式可以看出,范德華力隨著物體尺寸(R)的減小而減小。然而,慣性力的強度,例如重力和阻力/升力,在更大程度上下降。因此,范德華力在收集非常小的顆粒(例如非常細粒度的干粉(不存在毛細管力)時)占主導地位,即使吸引力的大小小于較大顆粒的吸引力。相同的物質。據說這種粉末具有粘性,這意味著它們不像它們更粗粒度的對應物那樣容易流化或氣動輸送。通常,自由流動發生在顆粒大于約250μm的情況下。范德華粘附力也取決于表面形貌。如果存在表面粗糙或突起,導致兩個顆粒之間或顆粒與壁之間的接觸總面積更大,這會增加范德華吸引力以及機械互鎖的趨勢。微觀理論假設成對可加性。它忽略了多體相互作用和延遲。Lifshitz在1956年開發了一種更嚴格的方法來解釋這些效應,稱為宏觀理論。Lifshitz于1970年在Lifshitz理論的框架內為球體推導出了一個更繁瑣的精確表達式,而更簡單的宏觀模型近似由Derjaguin早在1934年。使用Lifshitz理論的許多不同幾何形狀的范德華力表達式同樣已發表。
壁虎和節肢動物使用
編輯壁虎——只用一個腳趾就可以掛在玻璃表面上——爬在透明表面上的能力多年來主要歸因于這些表面和刮刀之間的范德華力,或覆蓋頭發的微觀投影-像在他們的腳墊上發現的剛毛一樣。后來的一項研究表明,毛細血管粘附可能起作用,但最近的研究拒絕了這一假設。然而,最近的一項研究表明,壁虎對光滑的聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷表面的粘附主要由靜電相互作用(由接觸帶電引起)決定,而不是范德華力或毛細管力。2008年有人努力創造一種利用這種效果的干膠,并在2011年成功地在類似的基礎上創造了一種膠帶。2011年,發表了一篇論文,闡述了對魔術貼狀毛發的影響以及壁虎腳印中脂質的存在。在節肢動物中,一些蜘蛛的目鏡或目鏡墊上有類似的剛毛,使它們能夠從玻璃或瓷器等極其光滑的表面攀爬或倒掛。
在現代科技
編輯2014年5月,DARPA展示了其Geckskin技術的最新迭代,讓一名100公斤的研究人員(背負20公斤的記錄裝備)僅使用兩個攀登槳攀爬8米高(26英尺)的玻璃墻。測試正在進行中,但DARPA希望有一天能夠將該技術用于軍事用途,讓士兵在城市戰斗中擁有蜘蛛俠般的能力。
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