Il Forze di Van der Waals sono forze intermolecolari di natura elettrica che possono essere attraenti o repulsive. Esiste un'interazione tra le superfici delle molecole o degli atomi, diversa essenzialmente dai legami ionici, covalenti e metallici che si formano all'interno delle molecole..
Sebbene deboli, queste forze sono in grado di attrarre molecole di gas; anche quello dei gas liquefatti e solidificati e quelli di tutti i liquidi e solidi organici. Johannes Van der Waals (1873) è stato colui che ha sviluppato una teoria per spiegare il comportamento dei gas reali.
Nella cosiddetta equazione di Van der Waals per i gas reali - (P + pernDue/ VDue) (V - nb)) = nRT- vengono introdotte due costanti: la costante b (cioè il volume occupato dalle molecole di gas) e "a", che è una costante empirica.
La costante "a" corregge la deviazione dal comportamento atteso dei gas ideali alle basse temperature, proprio dove si esprime la forza di attrazione tra le molecole di gas. La capacità di un atomo di polarizzarsi nella tavola periodica aumenta dalla cima di un gruppo alla fine del gruppo e da destra a sinistra per un periodo..
Aumentando il numero atomico - e quindi il numero di elettroni - quelli che si trovano nei gusci esterni sono più facili da spostare per formare elementi polari.
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Esistono molecole elettricamente neutre, che sono dipoli permanenti. Ciò è dovuto ad un disturbo nella distribuzione elettronica che produce una separazione spaziale delle cariche positive e negative verso le estremità della molecola, costituendo un dipolo (come se fosse un magnete).
L'acqua è composta da 2 atomi di idrogeno a un'estremità della molecola e un atomo di ossigeno all'altra estremità. L'ossigeno ha un'affinità maggiore per gli elettroni rispetto all'idrogeno e li attrae.
Questo produce uno spostamento degli elettroni verso l'ossigeno, lasciando questo carico negativamente e l'idrogeno con una carica positiva..
La carica negativa di una molecola d'acqua può interagire elettrostaticamente con la carica positiva di un'altra molecola d'acqua provocando un'attrazione elettrica. Pertanto, questo tipo di interazione elettrostatica è chiamato forze di Keesom.
Il dipolo permanente ha quello che viene chiamato un momento di dipolo (µ). L'entità del momento di dipolo è data dall'espressione matematica:
µ = q.x
q = carica elettrica.
x = distanza spaziale tra i poli.
Il momento di dipolo è un vettore che, per convenzione, è rappresentato orientato dal polo negativo al polo positivo. L'entità di µ fa male da esprimere in debye (3,34 × 10-30 Cm.
Il dipolo permanente può interagire con una molecola neutra provocando un'alterazione nella sua distribuzione elettronica, risultando in un dipolo indotto in questa molecola.
Il dipolo permanente e il dipolo indotto possono interagire elettricamente, producendo una forza elettrica. Questo tipo di interazione è noto come induzione e le forze che agiscono su di esso sono chiamate forze di Debye..
La natura di queste forze attrattive è spiegata dalla meccanica quantistica. Londra postulava che, in un istante, in molecole elettricamente neutre il centro delle cariche negative degli elettroni e il centro delle cariche positive dei nuclei potessero non coincidere..
Quindi, la fluttuazione della densità elettronica consente alle molecole di comportarsi come dipoli temporanei.
Questa non è di per sé una spiegazione per le forze attrattive, ma i dipoli temporanei possono indurre una polarizzazione correttamente allineata delle molecole adiacenti, con conseguente generazione di una forza attrattiva. Le forze attrattive generate dalle fluttuazioni elettroniche sono chiamate forze di Londra o dispersione..
Le forze di Van der Waals mostrano anisotropia, motivo per cui sono influenzate dall'orientamento delle molecole. Tuttavia, le interazioni di tipo dispersivo sono sempre prevalentemente attraenti..
Le forze di Londra diventano più forti all'aumentare delle dimensioni delle molecole o degli atomi.
Negli alogeni, le molecole F.Due e ClDue numeri atomici bassi sono gas. Il BRDue con il numero atomico più alto è un liquido e la IDue, l'alogeno con il numero atomico più alto è un solido a temperatura ambiente.
Aumentando il numero atomico aumenta il numero di elettroni presenti, il che facilita la polarizzazione degli atomi e, quindi, le interazioni tra loro. Questo determina lo stato fisico degli alogeni.
Le interazioni tra le molecole e tra gli atomi possono essere attraenti o repulsive, a seconda di una distanza critica tra i loro centri, che è chiamata rv.
A distanze tra molecole o atomi maggiori di rv, l'attrazione tra i nuclei di una molecola e gli elettroni dell'altra predomina sulle repulsioni tra i nuclei e gli elettroni delle due molecole.
Nel caso descritto, l'interazione è attraente, ma cosa succede se le molecole si avvicinano a una distanza tra i loro centri inferiore a rv? Quindi la forza repulsiva predomina su quella attrattiva, che si oppone a un avvicinamento più ravvicinato tra gli atomi..
Il valore di rv È dato dai cosiddetti raggi di Van der Waals (R). Per molecole sferiche e identiche rv è uguale a 2R. Per due diverse molecole di raggi R1 e RDue: rv è uguale a R1 + RDue. I valori dei raggi di Van der Waals sono riportati nella tabella 1.
Il valore fornito nella tabella 1 indica un raggio di Van der Waals di 0,12 nm (10-9 m) per l'idrogeno. Quindi il valore di rv per questo atomo è 0,24 nm. Per un valore di rv meno di 0,24 nm produrrà una repulsione tra gli atomi di idrogeno.
La forza tra una coppia di cariche q1 e cosaDue, separata nel vuoto dalla distanza r, è data dalla legge di Coulomb.
F = k. che cosa1.che cosaDue/ rDue
In questa espressione k è una costante il cui valore dipende dalle unità utilizzate. Se il valore della forza - dato dall'applicazione della legge di Coulomb - è negativo, indica una forza attrattiva. Al contrario, se il valore dato per la forza è positivo, è indicativo di una forza repulsiva.
Poiché le molecole si trovano solitamente in un mezzo acquoso che scherma le forze elettriche esercitate, è necessario introdurre il termine costante dielettrica (ε). Pertanto, questa costante corregge il valore fornito per le forze elettriche dall'applicazione della legge di Coulomb.
F = k.q1.che cosaDue/ε.rDue
Allo stesso modo, l'energia per l'interazione elettrica (U) è data dall'espressione:
U = k. che cosa1.che cosaDue/ε.r
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