3.1.4.1. Силы Ван-дер-Ваальса

Силы Ван-дер-Ваальса проявляются при взаимодействиях между частицами, которые (каждая в отдельности), вообще говоря, электрически нейтральны; по мере сближения частиц происходит их поляризация и возникают силы взаимного притяжения между диполями.

-дипольное притяжение (если обе частицы имеют стабильный электрический момент), которое зависит от взаимной угловой ориентации диполей;

-индуктивная сила (если одна из частиц имеет устойчивый электрический момент);

-дисперсионная сила (существенная для неполярных частиц), которая возбуждается в одной частице вследствие колебаний другой частицы.

Силы притяжения обратно пропорциональны расстоянию между частицами в седьмой степени

Энергии, соответствующие этим силам, не превышают 10 ккал•моль-1 (0,43 эВ•частица-1). Когда расстояние становится соизмеримым с диаметром частицы, явление усложняется, так как возникают квантовые обменные взаимодействия, для которых характерны значительные силы притяжения или отталкивания. Взаимное сближение двух частиц под влиянием сил притяжения продолжается до тех пор, пока эти силы не уравновесятся возрастающими по мере сближения силами отталкивания.

Силы отталкивания проявляются при взаимодействии как положительных зарядов ядер, так и электронных оболочек их атомов (молекул). Они обратно пропорциональны расстоянию r в степени u, где u≥ 9:

Анализ функций, описывающих зависимость сил притяжения и отталкивания от расстояния между частицами, показывает, что эти силы становятся заметными на расстояниях, соизмеримых с диаметрами атомов и молекул, т. е. на расстояниях 0 1 — 0,2 нм.

Равновесие сил притяжения и отталкивания, устанавливающееся при расстоянии r0 между центрами частиц, соответствует минимуму потенциальной энергии системы 1).

На фиг. 3.1 показаны кривые зависимости энергии W от расстояния r0 между частицами для силы притяжения F-, силы отталкивания F+. и их равнодействующей в зависимости от расстояния между центрами молекул (атомов). Нулевое значение энергии соответствует бесконечно большому расстоянию между частицами.

Описанное вандерваальсово взаимодействие относится к разряду слабых (физических). Такое взаимодействие характерно для атомов инертных газов (в частности, Не, Аr, Nе) а также для молекул двухатомных газов (Н2, O2, N2, Сl2) и некоторых других химических элементов в жидком и твердом состояниях. Вандерваальсовы силы возрастают с увеличением атомного номера элемента, так как при этом увеличиваются размеры электронной оболочки атома и при поляризации возникает большая деформация атома. Эти силы уменьшаются с повышением температуры.

Вандерваальсовы силы могут возникать между частицами газов и паров, с одной стороны, и атомами или молекулами поверхностей макроструктур (например, поверхности кристалла кристаллической решетки, металла и т. п.) — с другой. Активные центры поверхностной структуры материалов способны связывать с помощью вандерваальсовых сил частицы газов. Частица газа, перемещающаяся вблизи поверхности, притягивается расположенными вблизи узлами этой поверхности (фиг. 3.2) и окажется связанной с одним из них, если под влиянием результирующего притяжения приблизится к нему. После того как поверхность покроется мономолекулярным слоем газа, силы взаимодействия становятся намного слабее.

1)Расстояние между центрами частиц зависит от температуры для T=0K оно равно r0 С повышением температуры (Т>0К) частицы приобретают колебательное движение, < причем вследствие асимметрии кривой энергии среднее расстояние между частицами возрастает, например, до значения r’ , соответствующего наиболее вероятному положению d центра частицы