Công thức tính lực tương tác van der waals và ứng dụng thực tiễn

Công thức tính lực tương tác van der waals và ứng dụng trong thực tiễn
1.Công thức tính lực tương tác van der waals
a. Các loại lực tương tác Van der Waals
Lực van der Waals bao gồm ba thành phần chính đó là:

• Tương tác Keeson [Lưỡng cực vĩnh cửu-Lưỡng cực vĩnh cửu (Liên kết hydro)]
• Lực Debye [Lưỡng cực vĩnh cửu do lưỡng cực cảm ứng ]
• Lực phân tán London [Lưỡng cực cảm ứng lưỡng cực tức thời ]

Chúng ta hãy thảo luận chi tiết về các lực này như sau:
a1.Tương tác Keeson
Lực tương tác Keeson là một loại lực liên phân tử phát sinh từ lực hút tĩnh điện giữa các lưỡng cực vĩnh cửu trong các phân tử phân cực. Lực này được đặt theo tên của Willem Hendrik Keeson. Năng lượng của tương tác Keeson phụ thuộc vào lũy thừa sáu nghịch đảo của khoảng cách giữa các phân tử. Ngược lại, năng lượng tương tác của hai lưỡng cực cố định trong không gian phụ thuộc vào lũy thừa ba nghịch đảo của khoảng cách.
Các tính năng chính của tương tác Keeson Interaction là:

• Lưỡng cực vĩnh cửu: Tương tác chỉ xảy ra giữa các phân tử có mômen lưỡng cực vĩnh cửu, tức là hai phân tử phân cực.
• Tương tác yếu: Tương tác Keeson là tương tác van der Waals rất yếu và không xảy ra trong dung dịch nước.
• Hiệu ứng định hướng: Các tương tác tĩnh điện sắp xếp các lưỡng cực vĩnh cửu của các phân tử phân cực, gây ra hiệu ứng định hướng.
• Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực: Các lưỡng cực của phân tử phân cực gây ra sự hình thành các đầu đối diện trong các phân tử không phân cực, dẫn đến hiệu ứng định hướng.
• Một số ví dụ về tương tác Keeson là HCl, H 2 O, CO 2 , SO 2 và NH 3 v.v.

a2.Lực lượng Debye
Lực này được đặt theo tên Peter JW Debye. Đây là tương tác hấp dẫn giữa các lưỡng cực vĩnh cửu của các phân tử phân cực và các lưỡng cực mà chúng có thể tạo ra trong các phân tử tương tự. Nó được gây ra bởi tương tác của các lưỡng cực vĩnh cửu với các lưỡng cực do chúng tạo ra trong các đám mây electron. Tương tác này luôn hấp dẫn và không biến mất theo khoảng cách. Lực này là một trong những thành phần thiết yếu của trường lực thường được sử dụng trong cơ học phân tử.
Các tính năng chính của Debye Force là:

• Tương tác: Lực Debye là kết quả của sự tương tác giữa các lưỡng cực vĩnh cửu của các phân tử phân cực và các lưỡng cực do chúng tạo ra trong các đám mây electron
• Điểm mạnh: Lực Debye mạnh hơn lực phân tán London (lưỡng cực tức thời gây ra lưỡng cực) nhưng yếu hơn hiệu ứng định hướng Keeson
• Bản chất hấp dẫn: Lực Debye luôn hấp dẫn và không biến mất ở nhiệt độ cao hơn
• Một số ví dụ về lực Debye là phân tử phân cực như hydro bromide (HBr) và phân tử không phân cực hoặc đối xứng như argon (Ar).

a3.Lực lượng phân tán London
Lực phân tán London có mặt giữa bất kỳ hai phân tử nào, ngay cả những phân tử phân cực. Những lực này xảy ra khi các phân tử gần như chạm vào nhau. Lực này đôi khi được gọi là lực hút lưỡng cực cảm ứng-lưỡng cực cảm ứng. Lực này là lực hấp dẫn tạm thời. Nó xảy ra khi các electron trong hai nguyên tử hoặc phân tử liền kề chiếm các vị trí khiến các nguyên tử hình thành một lưỡng cực tức thời. Chúng là lực liên phân tử yếu nhất. Chúng chịu trách nhiệm cho trạng thái lỏng, rắn và dung dịch của bất kỳ hợp chất nào.
Các tính năng chính của Lực lượng phân tán London Dispersion Forces là:

• Lưỡng cực tạm thời: Một nguyên tử hoặc phân tử có thể phát triển một lưỡng cực tạm thời (tức thời) khi các electron của nó không phân bố đối xứng so với hạt nhân.
• Lưỡng cực cảm ứng: Một nguyên tử hoặc phân tử thứ hai có thể bị biến dạng do sự xuất hiện của lưỡng cực trong nguyên tử hoặc phân tử thứ nhất, dẫn đến lực hút tĩnh điện giữa chúng.
• Lực liên phân tử yếu: Lực phân tán London yếu hơn lực liên kết lưỡng cực-lưỡng cực và lực liên kết hydro.
• Hiệu ứng tích lũy: Mặc dù lực phân tán London giữa các nguyên tử và phân tử riêng lẻ tương đối yếu, nhưng hiệu ứng này lại tích lũy theo thể tích vật liệu, khiến nó mạnh hơn trong chất rắn và chất lỏng dạng khối.
• Một số ví dụ về lực phân tán London là n-pentane và neopentane.

Công thức tính lực tương tác Van der Waals.
Công thức tính lực van der waals được đưa ra như sau:

• (P+ n²a/V²)(V−nb)=nRT

Trong đó:

• P là áp suất được đo,
• V là thể tích khí tính bằng mol (n),
• a là hằng số liên quan đến cường độ lực hấp dẫn giữa các phân tử,
• b là hằng số liên quan đến thể tích của các phân tử khí,
• R là hằng số khí,
• T là nhiệt độ.

Phương trình van der Waals tính đến thể tích của các phân tử khí và lực hấp dẫn giữa các phân tử. Nó được sử dụng để tính toán hành vi của khí thực.
Đặc điểm của lực Van der Waals

• Lực Van der Waals yếu hơn đáng kể so với liên kết cộng hóa trị và liên kết ion.
• Các lực này bao gồm nhiều tương tác nhỏ có tính cộng gộp.
• Không giống như các loại liên kết khác, lực Van der Waals không biểu hiện trạng thái bão hòa.
• Các lực này không có đặc điểm định hướng.
• Sự thay đổi nhiệt độ thường không ảnh hưởng đến lực Van der Waals, ngoại trừ trường hợp tương tác lưỡng cực-lưỡng cực.
• Có hiệu quả ở phạm vi gần, cường độ lực Van der Waals tăng lên khi khoảng cách giữa các nguyên tử hoặc phân tử giảm xuống.

Các yếu tố ảnh hưởng đến lực Van der Waals
Có một số yếu tố ảnh hưởng đến độ mạnh của lực van der Waals:
1.Kích thước phân tử

• Các phân tử lớn hơn có nhiều electron hơn, dẫn đến lực van der Waals mạnh hơn do độ phân cực tăng lên. Điều này giúp các phân tử lớn hơn dễ dàng tạo ra lưỡng cực tạm thời trong các phân tử lân cận.

2.Hình dạng phân tử

• Các phân tử có hình dạng tuyến tính có thể đến gần nhau hơn và có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn các phân tử hình cầu, dẫn đến lực van der Waals mạnh hơn. Các phân tử phân nhánh có lực van der Waals yếu hơn so với các phân tử tuyến tính tương ứng do diện tích tiếp xúc hiệu dụng giảm.

3.Khả năng phân cực

• Độ phân cực đề cập đến mức độ dễ dàng mà đám mây electron xung quanh một phân tử có thể bị bóp méo. Các phân tử có đám mây electron dễ bị bóp méo hơn có lực van der Waals mạnh hơn. Các nguyên tử hoặc phân tử lớn có các electron ngoài cùng được giữ lỏng lẻo có khả năng phân cực cao hơn.

4.Mô men lưỡng cực

• Tương tác lưỡng cực vĩnh cửu: Trong khi lực van der Waals bao gồm tương tác giữa các phân tử không phân cực, chúng cũng bao gồm tương tác lưỡng cực-lưỡng cực nếu có. Các phân tử có mômen lưỡng cực vĩnh cửu có thể sắp xếp sao cho các đầu dương và âm của chúng thu hút nhau, tăng cường lực liên phân tử tổng thể.

5.Diện tích bề mặt

• Diện tích bề mặt tiếp xúc: Lượng diện tích bề mặt mà các phân tử tiếp xúc với nhau có thể ảnh hưởng đến cường độ của lực van der Waals. Diện tích bề mặt lớn hơn cho phép các lực này có nhiều cơ hội hơn để tác động giữa các phân tử.

6.Nhiệt độ

• Nhiệt độ tăng có thể làm yếu lực van der Waals vì động năng cao hơn cho phép các phân tử vượt qua lực hấp dẫn yếu này dễ dàng hơn. Ngược lại, hạ nhiệt độ có thể tăng cường hiệu quả của lực van der Waals.

Ứng dụng của lực liên kết van der Waals
Một số ứng dụng của lực Van der Waals bao gồm:

• Công nghệ nano: Lực van der Waals được ứng dụng trong việc chế tạo các vật liệu nano như ống nano carbon và graphene. Các vật liệu này có độ bền cao và dẫn điện tốt nhờ tương tác mạnh ở cấp độ phân tử.
• Dược phẩm: Trong công nghệ bào chế thuốc, lực van der Waals giúp hình thành các viên nén thuốc khi các phân tử được nén chặt với nhau.
• Keo dính: Keo dính hoạt động dựa trên lực van der Waals, giúp các bề mặt dính chặt mà không cần sử dụng chất kết dính hóa học mạnh.
• Sinh học: Lực Van der Waals giữ vai trò quan trọng trong việc gắn kết giữa protein và enzyme hoặc giữa phân tử DNA.
• Khoa học vật liệu: Lực van der Waals được sử dụng trong việc phát triển các vật liệu composite, nơi các phân tử tương tác để tăng cường tính chất cơ học.

Đặc điểm của lực van der Waals

• Độ mạnh yếu: Lực van der Waals yếu hơn rất nhiều so với liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết ion.
• Khoảng cách: Lực này giảm nhanh khi khoảng cách giữa các phân tử tăng lên.
• Tính phổ quát: Lực van der Waals tồn tại ở hầu hết các phân tử và nguyên tử.

Ví dụ về lực van der Waals
1. Cấu trúc màng nhện và khả năng dính

• Màng nhện được tạo bởi các sợi protein mỏng nhưng bền, lực van der Waals giữa các phân tử protein giúp tăng cường độ kết dính, cho phép màng nhện giữ chặt các con mồi.

2. Thằn lằn bám tường

• Các sợi lông cực nhỏ trên chân thằn lằn (gecko) tương tác với bề mặt nhờ lực van der Waals, giúp chúng bám chắc ngay cả trên mặt kính trơn.

3. Sự hoà tan của khí trong chất lỏng

• Khí như CO₂ hòa tan trong nước nhờ lực van der Waals giữa các phân tử khí và phân tử nước.

4. Tương tác giữa lớp than chì

• Các lớp graphene trong than chì liên kết với nhau thông qua lực van der Waals, giúp chúng dễ dàng tách ra, tạo nên tính chất mềm và trơn của than chì.

So sánh lực tương tác van der Waals với các loại lực khác: