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范德华力

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分子物理学中,以荷兰物理学家约翰内斯·迪德里克·范德瓦尔斯命名的范德华力原子或分子之间依赖于距离的相互作用。与离子键或共价键不同,这些吸引力不是由化学电子键引起的。它们相对较弱,因此更容易受到干扰。范德华力在相互作用的分子之间距离较远时迅速消失。范德华力在超分子化学结构生物学、聚合物科学纳米技术、表面科学和凝聚态物理等不同领域发挥着重要作用。它也是有机化合物分子固体许多特性的基础,包括它们在极性和非极性介质中的溶解度。如果不存在其他力,当原子彼此接近时,力变得排斥而不是吸引力的原子之间的距离称为范德华接触距离;这种现象是原子电子云之间相互排斥的结果。范德华力通常被描述为瞬时诱导偶极子之间的伦敦色散力、xxx偶极子和诱导偶极子之间的德拜力以及旋转方向随时间动态平均的xxx分子偶极子之间的Keesom力的组合。

范德华力的定义

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范德华力包括原子、分子和表面之间的吸引力和排斥力,以及其他分子间力。它们与共价键和离子键的不同之处在于它们是由附近粒子波动极化的相关性引起的(量子动力学的结果)。尽管是弱化学力中最弱的一种,强度在0.4和4kJ/mol之间(每个键4到40meV),但当存在大量此类相互作用时,它们仍可能支持整体结构载荷。该力是由电子密度的瞬态变化引起的。具体来说,电子密度可能会暂时更大地移动到原子核的一侧。这会产生一个瞬态电荷,附近的原子可以被它吸引或排斥。当两个原子的原子间距离大于0.6nm时,力不足以观察到,而当距离低于0.4nm时,力变得排斥。分子间作用力有四个主要贡献:<pclass="mw-empty-elt">

  • 由泡利不相容原理产生的排斥成分,可防止分子坍塌。
  • xxx电荷(在分子离子的情况下)、偶极子(在没有反转中心的分子的情况下)、四极子(对称性低于立方的所有分子)之间以及通常在xxx多极子之间的吸引或排斥静电相互作用。在WillemHendrikKeesom之后,静电相互作用有时被称为Keesom相互作用或Keesom力。
  • 感应(也称为极化),它是一个分子上的xxx多极与另一个分子上的感应多极之间的吸引力相互作用。这种相互作用有时在PeterJWDebye之后被称为德拜力。
  • 色散(通常在弗里茨伦敦之后被命名为伦敦色散相互作用),这是任何一对分子之间的吸引力相互作用,包括非极性原子,由瞬时多极的相互作用产生。

回到命名法,不同的文本使用范德华力这个词来指代不同的事物。一些文本将范德华力描述为力的总和(包括排斥力);其他的意思是所有的吸引力(然后有时区分范德华力-基索姆、范德华力-德拜和范德华力-伦敦)。所有分子间/范德华力都是各向异性的(两个惰性气体原子之间的除外),这意味着它们取决于分子的相对取向。无论方向如何,感应和分散相互作用总是有吸引力的,但静电相互作用会随着分子的旋转而改变符号。也就是说,静电力可以是吸引或排斥的,这取决于分子的相互取向。当分子处于热运动时,因为它们处于气相和液相,静电力在很大程度上被平均化,因为分子热旋转并因此探测静电力的排斥和吸引部分。有时,这种效应表现为室温附近的随机热运动通常可以克服或破坏它们(指范德华力的静电分量)。显然,对于吸引力的感应和色散力,热平均效应不太明显。Lennard-Jones势通常用作作为距离函数的总(排斥加吸引力)范德华力的各向同性部分的近似模型。范德华力是造成谱线压力展宽(范德华展宽)和范德华分子形成的某些情况的原因。伦敦-范德华力与介电介质的卡西米尔效应有关,前者是后者体积特性的微观描述。EMLifshitz于1955年对此进行了xxx次详细计算。范德华力的更一般的理论也已经发展起来。范德华力的主要特征是:

  • 它们比正常的共价键和离子键弱。
  • 范德华力是相加的,不能饱和。
  • 它们没有方向特性。
  • 它们都是短程力,因此只需要考虑最近粒子之间的相互作用(而不是所有粒子)。如果分子更接近,范德华引力会更大。
  • 除了偶极-偶极相互作用之外,范德华力与温度无关。

在低分子量醇中,它们的极性羟基氢键性质支配其他较弱的范德华相互作用。在较高分子量的醇中,非极性烃链的性质占主导地位并决定了它们的溶解度。

伦敦分散力

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伦敦色散力,以德裔美国物理学家弗里茨·伦敦命名,是由没有xxx多极矩的分子中瞬时多极之间的相互作用力产生的弱分子间力。在有机分子内部和有机分子之间,大量的接触可以导致分散吸引力的更大贡献,特别是在杂原子存在的情况下。伦敦分散力也称为“分散力”、“伦敦力”或“瞬时偶极诱导偶极力”。伦敦色散力的强度与分子的极化率成正比,而极化率又取决于电子的总数和它们分布的面积。碳化合物表现出小的分散贡献,杂原子的存在导致LD力随其极化率的变化而增加,例如顺序为RI>RBr>RCl>RF。在没有溶剂的情况下,弱极化烃由于分散力而形成晶体;它们的升华热是色散相互作用的量度。

宏观物体之间的范德华力

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对于具有已知体积和单位体积原子或分子数量的宏观物体,总范德华力通常根据微观理论计算为所有相互作用对的总和。从上面的表达式可以看出,范德华力随着物体尺寸(R)的减小而减小。然而,惯性力的强度,例如重力和阻力/升力,在更大程度上下降。因此,范德华力在收集非常小的颗粒(例如非常细粒度的干粉(不存在毛细管力)时)占主导地位,即使吸引力的大小小于较大颗粒的吸引力。相同的物质。据说这种粉末具有粘性,这意味着它们不像它们更粗粒度的对应物那样容易流化或气动输送。通常,自由流动发生在颗粒大于约250μm的情况下。范德华粘附力也取决于表面形貌。如果存在表面粗糙或突起,导致两个颗粒之间或颗粒与壁之间的接触总面积更大,这会增加范德华吸引力以及机械互锁的趋势。微观理论假设成对可加性。它忽略了多体相互作用和延迟。Lifshitz在1956年开发了一种更严格的方法来解释这些效应,称为宏观理论。Lifshitz于1970年在Lifshitz理论的框架内为球体推导出了一个更繁琐的精确表达式,而更简单的宏观模型近似由Derjaguin早在1934年。使用Lifshitz理论的许多不同几何形状的范德华力表达式同样已发表。

范德华力

壁虎和节肢动物使用

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壁虎——只用一个脚趾就可以挂在玻璃表面上——爬在透明表面上的能力多年来主要归因于这些表面和刮刀之间的范德华力,或覆盖头发的微观投影-像在他们的脚垫上发现的刚毛一样。后来的一项研究表明,毛细血管粘附可能起作用,但最近的研究拒绝了这一假设。然而,最近的一项研究表明,壁虎对光滑的聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷表面的粘附主要由静电相互作用(由接触带电引起)决定,而不是范德华力或毛细管力。2008年有人努力创造一种利用这种效果的干胶,并在2011年成功地在类似的基础上创造了一种胶带。2011年,发表了一篇论文,阐述了对魔术贴状毛发的影响以及壁虎脚印中脂质的存在。在节肢动物中,一些蜘蛛的目镜或目镜垫上有类似的刚毛,使它们能够从玻璃或瓷器等极其光滑的表面攀爬或倒挂。

在现代科技

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2014年5月,DARPA展示了其Geckskin技术的最新迭代,让一名100公斤的研究人员(背负20公斤的记录装备)仅使用两个攀登桨攀爬8米高(26英尺)的玻璃墙。测试正在进行中,但DARPA希望有一天能够将该技术用于军事用途,让士兵在城市战斗中拥有蜘蛛侠般的能力。


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词条目录
  1. 范德华力
  2. 范德华力的定义
  3. 伦敦分散力
  4. 宏观物体之间的范德华力
  5. 壁虎和节肢动物使用
  6. 在现代科技

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