Van der Valsa spēki ķīmijā ir viens no starpmolekulāro spēku veidiem. Starpmolekulārais spēks ir relatīvi vājš spēks, kas satur kopā molekulas. Van der Valsa spēki ir vājākais starpmolekulāro spēku veids. Tās nosauktas holandiešu zinātnieka Johannesa Diderika van der Valsa (1837-1923) vārdā.
Negatīvi lādēti elektroni riņķo ap molekulām vai joniem. Elektroni rada nedaudz atšķirīgus lādiņus no viena molekulas gala uz otru. Šīs nelielās atšķirības sauc par daļējiem lādiņiem δ- vai δ+.
Šo terminu dažkārt lieto brīvi kā sinonīmu visiem starpmolekulāriem spēkiem. Van der Valsa spēki ir salīdzinoši vāji salīdzinājumā ar kovalentajām saitēm, taču tiem ir būtiska nozīme supramolekulārajā ķīmijā, fermentos, polimēru zinātnē, nanotehnoloģijā, virsmas zinātnē un kondensētās vielas fizikā. Van der Valsa spēki nosaka daudzas organisko savienojumu īpašības, tostarp to šķīdību.
Kas tās ir un kā rodas
Van der Valsa spēki rodas no īslaicīgām vai pastāvīgām elektriskajām polaritātēm molekulās. Pat pilnīgi nepolāras molekulas īslaicīgi var veidot dipolus, kad elektronu blīvums nejauši nokoncentrējas vienā molekulas daļā — to sauc par momentāno dipolu. Šie momentānie dipoli var inducēt dipolus kaimiņmolekulās, radot pievilkšanas spēku.
Galvenie veidi
- Londonas dispersijas spēki (momentāno dipolu — inducēta dipola mijiedarbība): pastāv visos atomos un molekulās, bet ir īpaši nozīmīgi nepolāriem savienojumiem un lielām molekulām. Tie ir atbildīgi par tādām parādībām kā cietības vai kondensācijas spēja nepolāriem elementiem (piem., dzīvokļi un šķidrumi no pleznām) un tiem raksturīgā atkarība no molekulas izmēra un polarizējamības.
- Pastāvīgo dipolu — dipolu mijiedarbība: rodas starp molekulām ar pastāvīgu polaritāti (piem., HCl), kur pastāvīgu dipolu pievilkšana ietekmē fizikālās īpašības, piemēram, kušanas un viršanas temperatūras.
- Hibridizētās dipolu mijiedarbības, tostarp ūdeņraža saites: ūdeņraža saite bieži tiek izdalīta kā spēcīgāka starpmolekulāro spēku forma (piem., starp ūdens molekulām), tomēr to var uzskatīt par dipolu-dipolu mijiedarbības īpašu gadījumu. Ūdeņraža saites būtiski ietekmē biopolimēru (DNS, proteīnu) struktūru un šķidruma īpašības.
- Jonu — dipolu mijiedarbība: svarīga šķīdināšanā, kad joni mijiedarbojas ar polāru šķīdinātāju (piem., nātrija joni un ūdens molekulas).
Faktori, kas ietekmē Van der Valsa spēku stiprumu
- Polarizējamība: lielākas un vieglāk izkustināmas elektronu ķēdes rada stiprākas dispersijas mijiedarbības.
- Molekulas forma un virsmas laukums: garas, plakanas vai lielas molekulas nodrošina lielāku kontaktvirsmu un spēcīgākas Van der Valsa mijiedarbības nekā kompakti, sfēriskas molekulas.
- Temperatūra: paaugstināta temperatūra samazina starpmolekulāro mijiedarbību relatīvo nozīmi, jo termiskā kustība vieglāk pārvar vājos pievilkšanas spēkus.
- Nozīmīgums attāluma ziņā: dispersijas sastāvdaļa parasti samazinās ļoti ātri ar attālumu (aptuveni kā 1/r6), tāpēc Van der Valsa spēki darbojas tikai ļoti īsā attālumā.
Nozīme praksē un piemēri
Van der Valsa spēki ietekmē daudzus ikdienišķus un tehniskus procesus:
- Nejaušas dispersijas dēļ dabas gāzes (piem., argons) var kļūt par šķidrumiem pie zemas temperatūras.
- Organisko savienojumu viršanas temperatūras pieaug ar ķēdes garumu (alkāni), jo pieaug dispersijas mijiedarbība.
- Biomolekulu struktūra: proteīnu salocīšana un molekulāra atpazīšana ietver gan ūdeņraža saites, gan daudzus vājos Van der Valsa kontaktus.
- Virsmu adhēzija un lubrikācija: nanomateriālu, polimēru un virsmu īpašības lielā mērā ir atkarīgas no šo spēku mijiedarbības.
- Supramolekulārā ķīmija un pašsapulcināšanās: molekulāras konstrukcijas tiek veidotas, izmantojot vājās, ne-kovalentās mijiedarbības, starp kurām dominē Van der Valsa spēki.
Mērīšana un teorētiska apraksta metodes
Van der Valsa mijiedarbības raksturo gan eksperimentālas metodes (piem., kalorimetrija, spektroskopija, atomu spēka mikroskopija), gan teorētiski modeļi. Bieži izmantotie teorētiskie apraksti ietver Lennard–Jones potenciālu, kas modelē īsā diapazona atgrūšanos un garā diapazona pievilkšanos (dispersiju), kā arī kvantu mehāniskus aprakstus (piem., Londonas formula dispersijai). Mūsdienu skaitliskās metodes, piemēram, DFT ar dispersijas korekcijām, tiek izmantotas, lai precīzāk aprakstītu šīs mijiedarbības molekulārajā līmenī.
Būtiskā atšķirība no ķīmiskajām saitēm
Ir svarīgi atcerēties, ka Van der Valsa spēki nav ķīmiskas saites — tie parasti neizraisa elektronāru pārvietošanos vai jaunu savienojumu veidošanos, bet gan rada vāju, bieži atgriezenisku pievilkšanos starp atsevišķām molekulām. Tā rezultātā tie nosaka fiziskās īpašības (viršanas/kušanas temperatūras, šķīdību, agregātstāvokli), nevis ķīmisko sastāvu.
Nobeigumā, lai gan Van der Valsa spēki ir salīdzinoši vāji, to ietekme uz materiālu īpašībām un molekulāro organizāciju ir izšķiroša daudzās ķīmijas un materiālu zinātnes nozarēs.
