Lực van der waals là gì? Ứng dụng & Công thức tính

Lực Van der Waalslà 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 van der Waals là gì?

Lực Van der Waals là một tập hợp các lực liên phân tử phát sinh từ sự tương tác giữa các phân tử. Không giống như liên kết cộng hóa trị và liên kết ion mạnh hơn, liên quan đến việc chia sẻ hoặc chuyển electron giữa các nguyên tử, lực Van der Waals yếu hơn và là kết quả của các điện tích tạm thời xảy ra ngay cả trong các phân tử trung tính.

Độ mạnh của các lực này dao động từ 0,4 KJ.mol ^-1 đến 4 KJ.mol ^-1 . Lực này cực kỳ yếu khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn hơn 0,6 nm. Các lực này được đặt theo tên của nhà vật lý người Hà Lan Johannes Diderik van der Waals, người đầu tiên mô tả chúng vào cuối thế kỷ 19.

Định nghĩa lực hấp dẫn Van der Waals

Lực Van der Waals là lực hấp dẫn liên phân tử yếu giữa các nguyên tử hoặc phân tử, phát sinh từ các lưỡng cực tạm thời hoặc vĩnh viễn. Chúng bao gồm lực phân tán London, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực và lực cảm ứng, rất quan trọng đối với các tính chất vật lý của nhiều chất khác nhau.

Johannes Diderik Van der Waals là ai?

Johannes Diderik Van der Waals là một nhà vật lý người Hà Lan. Ông đã xây dựng phương trình trạng thái Van der Waals. Lực Van der Waals được đặt theo tên ông. Đây là tương tác phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử hoặc phân tử. Lực này đóng vai trò cơ bản trong nhiều lĩnh vực bao gồm khoa học bề mặt, vật lý vật chất, khoa học polyme, v.v

Các loại lực 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:

Tương tác Keeson

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 Keeson Interaction

Một số tính năng chính của tương tác keeson 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.

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

Một số 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).

Lực lượng phân tán London

Một số tính năng chính của London Dispersion Forces là:

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

• 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 Van der Waals

Công thức tính lực van der waals được đưa ra như sau:

(P+ n²a/V²)(V−nb)=nRT

• 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 và
• 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.

Yếu tố ảnh hưởng đến lực Van der Waals

Có một số yếu tố ảnh hưởng đến độ mạnh của lực van der Waals:

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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 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 van der Waals với các loại lực khác

Loại lực	Đặc điểm	Độ mạnh (tương đối)
Lực van der Waals	Tương tác yếu giữa các phân tử	Yếu nhất
Liên kết ion	Tương tác giữa ion dương và ion âm	Rất mạnh
Liên kết cộng hóa trị	Chia sẻ cặp electron giữa hai nguyên tử	Mạnh
Liên kết hydro	Tương tác giữa H và nguyên tử âm điện	Trung bình

Lực Van der Waals – Câu hỏi thường gặp

Lực Van der Waals là gì?

Lực Van der Waals là lực liên phân tử yếu phát sinh từ lưỡng cực tạm thời hoặc vĩnh viễn trong phân tử. Các lực này bao gồm lực phân tán London, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực và lực ion-lưỡng cực, trong đó phân tán London là yếu nhất​​.

Lực lượng Van der Waals hoạt động như thế nào?

Các lực này hoạt động thông qua lực hút và lực đẩy giữa các phân tử, chủ yếu chịu ảnh hưởng bởi các dao động điện tử tạo ra các lưỡng cực tạm thời bên trong các phân tử không phân cực hoặc giữa các lưỡng cực vĩnh viễn trong các phân tử phân cực.

Lực Van der Waals đóng vai trò gì trong tự nhiên?

Trong tự nhiên, lực Van der Waals rất quan trọng đối với nhiều quá trình sinh học, giúp protein và axit nucleic duy trì cấu trúc của chúng. Chúng cũng góp phần tạo nên các đặc tính độc đáo của nước, như sức căng bề mặt cao.

Bạn có ý gì khi nói tới lực Van der Waals?

Lực Van der Waals là lực hấp dẫn giữa các phân tử. Chúng xảy ra do sự dịch chuyển phân bố electron tạm thời, tạo ra điện tích dương và âm.

Có những loại lực Van der Waals nào?

Lực Van der Waals bao gồm ba loại. Đây là lực phân tán London, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực và lực liên kết hydro

Phương trình Van der Waals là gì?

Phương trình lực Van der Waals là

(P+ n²a/V²)(V−nb)=nRT

Tại sao lực Van der Waals được gọi là lực London?

Sự tương tác Van der Waals giữa lưỡng cực tức thời và lưỡng cực cảm ứng thường được gọi là Lực London vì nó được đặt theo tên của nhà vật lý người Đức-Mỹ Fritz London, người đã đóng góp công trình của mình trong cùng lĩnh vực.

Tại sao lực Van der Waals yếu nhất?

Lực Van der Waals là lực yếu nhất trong các lực liên phân tử vì chúng dựa trên sự tương tác tương đối tinh tế giữa các biến động tạm thời trong sự phân bố electron bên trong các phân tử.

Lực van der Waals tuy yếu nhưng lại có vai trò quan trọng trong nhiều hiện tượng và ứng dụng thực tế. Từ việc giải thích cách thằn lằn bám kính đến chế tạo các vật liệu nano, lực này đã chứng minh tầm quan trọng của mình trong khoa học và công nghệ. Hiểu rõ lực van der Waals không chỉ giúp chúng ta nhận thức rõ hơn về thế giới vi mô mà còn mở ra các hướng nghiên cứu và ứng dụng mới trong tương lai.