Lực Van der waals: Khái niệm và vai trò trong thế giới phân tử

Khái niệm lực tương tác Van der Waals là lực liên phân tử. Chúng bao gồm lực hút và lực đẩy giữa các nguyên tử và phân tử. Lực này là cơ bản trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm vật lý vật chất ngưng tụ, khoa học polyme, công nghệ nano, hóa học siêu phân tử, cấu trúc sinh học và khoa học bề mặt. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về lực Van der Waals, các loại lực, phương trình của lực Van der Waals và ứng dụng của chúng.
Lực liên kết Van der Waals dễ quan sát thấy với các khí hiếm. Nó tham gia vào một số hiện tượng như mở rộng vạch phổ dưới áp suất (Mở rộng vạch phổ Van der Waals), thay đổi phương trình trạng thái khí lý tưởng thành phương trình Van der Waals. Ngoài ra, lực Van der Waals giúp chân của một số loài bò sát có thể bám chắc trên các bề mặt dựng đứng. Ứng dụng lực này trên các băng dính, có thể làm tăng khả năng kết dính của băng. Loại lực này bao gồm ba loại chính: lực định hướng, lực cảm ứng và lực khuếch tán.

1. Lực định hướng
Lực định hướng là lực phát sinh khi những phân tử có cực lại gần nhau (momen lưỡng cực µ ≠ 0). Các phân tử sẽ định hướng lại để các trọng tâm tích điện ngược dấu hút nhau. Các phân tử sau đó được sắp xếp theo một trật tự xác định. Tương tác định hướng phụ thuộc vào của các phân tử. Ví dụ (hình 1)

Hình 1
Năng lượng của tương tác lực định hướng tính theo hệ thức của Keesom:

• Uđh = – 2.µ^4/(3.r^6.k.T)

Trong đó: Uđh là năng lượng tương tác của 2 phân tử có momen lưỡng cực µ, ở khoảng cách r và nhiệt độ T; k là hằng số Boltzmann, k=1,38066.10^-23 J.K^-1
Tương tác định hướng phụ thuộc lớn vào µ của các phân tử.
2. Lực cảm ứng
Lực cảm ứng là lực phát sinh khi một phân tử không phân cực (µ=0) tiến lại gần một phân tử phân cực có sẵn (hoặc ion). Dưới tác dụng điện trường của phân tử có cực, phân tử không phân cực bị phân cực hóa, tức là xuất hiện lưỡng cực, gọi là lưỡng cực cảm ứng. Ví dụ (hình 2)

Hình 2
Năng lượng của tương tác lực định hướng tính theo hệ thức của Debye:

• Ucư = – 2α.µ^2/(r^6)

Trong đó: α là hệ số phân cực hóa (độ biến dạng) của phân tử.
Ucư không phụ thuộc vào nhiệt độ.
3. Lực khuếch tán
Lực khuếch tán được tạo bởi những lưỡng cực tạm thời hoặc cảm ứng lại hút nhau. Tại một thời điểm, tâm tích điện âm và tâm tích điện dương của nguyên tử, phân tử lệch nhau, hình thành lưỡng cực tạm thời. Lưỡng cực tạm thời có phương thay đổi liên tục, điện trường của nó tác động và tạo ra lưỡng cực cảm ứng với phân tử, nguyên tử bên cạnh. Ví dụ (vẽ hình) khả năng khí trơ, phân tử trung hòa ko có sẵn lưỡng cực.

Hình 3
Năng lượng của lực tương tác khuếch tán được tính theo hệ thức gần đúng của London:

• Ukt= -3h.γo.α^2/(4.r^6)

Trong đó h là hằng số Plank, h=6,526.10^-34 J.s; γo là tần số dao động tử ở 0 oC
Như vậy, h.γo là năng lượng phân tử, nguyên tử ở độ không tuyệt đối
Theo hệ thức trên, lực khuếch tán không phụ thuộc vào nhiệt độ. Năng lượng khuếch tán tồn tại ở mọi hệ thống electron. Điều này giải thích cho lực hút giữa các nguyên tử khí trơ, phân tử trung hòa không có sẵn cực.
Lực liên kết tương tác Van der Waals trong trường hợp chung là tổng của ba loại lực kể trên và nó là loại lực liên kết yếu. Năng lượng tương tác toàn phần Uh được định bằng tổng của 3 công thức kể trên.
Uh mang dấu âm vì đây là tương tác hút (thế năng) giữa 2 phân tử khi tạo thành liên kết Van der Waals. Giá trị tuyệt đối của Uh càng lớn thì năng lượng hệ giải phóng càng nhiều, thế năng trở nên cực tiểu, liên kết Van der Waals càng bền
Tóm lại:
Lực tương tác Van der Waals là lực hút giữa các phân tử. Vì độ lớn của lực này phụ thuộc vào kích thước, thể tích phân tử nên dễ thấy các đơn chất, hoặc các họ hợp chất càng phức tạp thì nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi càng cao và càng dễ ngưng tụ ở các trạng thái lỏng và rắn.