Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció

Van der Waals-erők

Tartalomjegyzékhez Világképem <    (Kvark-..., Hadron-..., Anyag-időszak)     

A gázatomok, -molekulák kölcsönösen vonzzák egymást – ún. Van der Waals-erők működnek közöttük. Azokat a „molekulák közötti” kötéseket soroljuk ide, amelyek a molekulán belüli töltésaszimmetriából következnek.

A molekulák közötti kapcsolatot létrehozó erők között fontosak az úgynevezett Van der Waals-féle erők. Ezek intenzitása viszonylag gyengébb (általában egy nagyságrenddel kisebb, mint az atomokat egyesítő erők és ideiglenes, laza kapcsolatot hoznak létre a szomszédos molekulák, illetve atomok között. A Van der Waals-féle erők úgy jönnek létre, hogy az elektromos szempontból telített molekulákban lévő atomok pozitív magjai és negatív elektronjai között, még bizonyos, a töltési-súlypontok helyzetbeli különbségei által kiváltott vonzási erők (dipóluserők) indulnak ki a szomszédos molekulák atomjainak elektronhéjai irányába. Ebben az esetben tehát úgynevezett intermolekuláris erőkről van szó.

A Van der Waals-féle erők egyaránt hatnak gázhalmazállapotú, folyékony és szilárd anyagok molekulái között. A csepfolyósított és megfagyasztott nemesgázok atomjait például csak a Van der Waals-féle erők tartják össze, minthogy a komplett elektronhéjak (oktett) létezése következtében kémiai természetű vonzóerőkről nem lehet szó.

A van der Waals-féle kötés lezárt elektronhéjú atomok vagy molekulák között alakul ki, energiája az elsőrendű kötések energiájának kb. huszadrésze. Ezért a molekularácsos szerkezetű anyagok (elemek és vegyületek) alacsony olvadás- és forráspontúak: közönséges körülmények között gáz halmazállapotúak vagy folyékonyak, de ha molekulatömegük elég nagy, szilárdak is lehetnek. Kristályaik meglehetősen puhák.

A van der Waals-kötéseknek három fajtáját különböztetjük meg:

          1.orientációs hatás (dipól-dipól kölcsönhatás)

          2.indukciós effektus

          3.diszperziós hatás (London-féle erők)

Ezek a kölcsönhatások néhány kJ/mol vonzóerőt jelentenek a molekulák között, de fontos szerepük van pl. a gázok cseppfolyósodásában, a molekularácsból álló kristályok összetartásában stb. A van der Waals-erők hatása a molekulák közti távolság növekedésével rendkivül erősen csökken; általában csak a részecskenagysággal összemérhető távolságban hatnak. Apoláros jellegű vegyületekben (pl. az alkánokban) csak a diszperziós erők hatnak. Poláros molekulák között mindhárom típus fellép, de az indukciós effektus mindig kicsi és itt is a diszperziós effektus az uralkodó.

Dipóluskötés (dipól-dipól kölcsönhatás)

Többé-kevésbé polarizált, azaz (állandó) dipólus-momentummal rendelkező részecskék között fellépő irányított kölcsönhatás. Az orientációs effektus dipólusmontummal rendelkező molekulák között lép fel. A parciális pozitív és negatív töltésekkel rendelkező dipólusmolekulák (pl. a metil-klorid) között megfelelő orientáció esetén elektrosztatikus vonzás tud kialakulni. Orientációs hatásnak is nevezzük, mert a dipólusmolekulák a kedvező állapot irányába forgatják egymást. Gyengébb a hidrogénkötésnél, de erősebb a diszperziós kölcsönhatásnál. Oka a részleges töltésmegoszlással bíró részecskék, illetve azok ellentétesen töltött pólusai között fellépő elektrosztatikus erőhatás. Kisebb molekuláknál (például ammónia, hidrogén-klorid) ez normál állapotban nem elegendő ahhoz, hogy az anyag gázfázisból kondenzáljon, de egy folyadékfázisú dipólusos rendszerben többé-kevésbé lokális rendezettséget eredményez, azaz adott környéken lévő molekulák többé-kevésbé azonos irányba állnak be dipólusaik szerint. A dipólusmolekulák kölcsönhatása rendezett szerkezetet alakíthat ki folyékony vagy szilárd halmazállapotban. Meghatározó tényező a dipólusmomentum (fizikai vektormennyiség, mely a negatív töltések súlypontjából a pozititívak súlypontja felé irányul, nagyságát pedig a két töltéssúlypont közötti távolság és a parciális töltés szorzata adja meg), a hőmérséklet és a résztvevő molekulák mérete. Dipól-dipól kölcsönhatás van a víz-, az ammónia- és a szén-dioxid-molekulák között.

A van der Waals-kötések közül a dipóluskötés a legerősebb. Ezért a dipólusmolekulák között inkább előfordulnak szilárd anyagok és folyadékok, mint az apoláros molekulájú anyagok közt.

Indukciós hatás

Dipólus molekula és apoláris molekula között kialakuló kölcsönhatás – indukált dipólus jön létre. Azért nevezzük indukciós hatásnak (indukciós effektusnak), mert a dipólus molekula elektromos megoszlást indukál az apolárosban, így már kialakulhat a vonzás. Az indukciós effektus egy állandó dipólus és a szomszédos molekulában általa indukált ellentétes értelmű dipólus kölcsönös vonzásából származik.

Ennek a kölcsönhatásnak a van der Waals-kötéseken belül is kicsi az energiája. Az atomok saját vagy indukált dipólusmomentumából származik, és a távolsággal gyorsan csökken 1/r6 törvény szerint.

Ez a kötéstípus előfordul például a poláros vízmolekulák és az apoláros jódmolekulák közt.

London-kötés (indukált dipol-dipol kölcsönhatás)

Indukált dipól-indukált dipól kölcsönhatás; diszperziós erőknek is hívják. Apoláris atomok vagy molekulák közötti vonzóerő. Ezt a molekulák pillanatnyi polarizációja okozza. A polarizációt az elektronfelhő mag körüli rezgései alakítják ki. Csak kvantummechanikai alapon magyarázható. Lényege, hogy ha két atom közelít egymáshoz, a két atommag és a két elektronfelhő taszítja egymást, míg az egyik mag és a másik elektronfelhő között vonzás lép fel. Ez még kevés lenne az összekapcsolódáshoz, az atomoknak olyan rezgésállapotot kell megvalósítani, amelyben a pozitív és negatív töltések súlypontja nem esik egybe és a vonzóerők eredője valamivel nagyobb, mint a taszítóerőké. A diszperziós kölcsönhatás annál erősebb, minél több az egy molekulára jutó elektronok száma. Ezért nagyobb London-erők hatnak két jódmolekula között, mint két fluormolekula között. Ha nagyobb erők hatnak a szomszédos molekulák között, akkor nagyobb hő kell a leküzdésükhöz, nő az olvadás- és forráspont. Ezért nő pl. az alkánok olvadás- és forráspontja a molekulatömeg növekedésével.

Diszperziós erők dipólusmomentummal nem rendelkező molekulák között is hatnak. Ez olyan kvantummechanikai kölcsönhatás, amely kvalitatíve felfogható az atomokban átmenetileg fellépő dipólusok kölcsönhatásaként (a pozitív és negatív töltés centruma az atomban időben nem mindig esik egybe). A diszperziós erők a molekulák között mindig érvényesülnek, függetlenül attól, hogy más van der Waals-erők fellépnek-e. Legalább egy nagyságrenddel erősebbek az orientációs vagy indukciós erőknél. A London-féle erők nagysága függ még a molekula alakjától is. Minél könnyebben polarizálható a molekula, annál erősebb a London-kölcsönhatás.

Ez a fajta erő tartja össze pl. a nemesgázokat cseppfolyós állapotban, nagyon alacsony hőmérsékleten.

Tartalomjegyzékhez Világképem <  Kvark-időszak     

-----------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9miai_k%C3%B6t%C3%A9s

http://hu.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waals-egyenlet

http://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/VaDVaEro.htm

http://www.tankonyvtar.hu/kemia/szerves-kemia-van-der-080906