Fizikanët nga Universiteti i Bazelit dhe Instituti Zviceran i Nanoteknologjisë kanë matur, për herë të parë në botë, forcat mikroskopike që lindin midis atomeve dhe molekulave fqinje. Ata që kanë kujtime nga një kurs i fizikës shkollore mund të kujtojnë frazën "forcat van der Waals".

Këto forca lindin midis atomeve individuale dhe për këtë arsye janë aq të vogla sa që edhe në makrokozmos manifestimi i këtij fenomeni delikate haset rrallë. Megjithatë, janë pikërisht këto forca që fizikanët shpjegojnë një sërë efektesh që hasen në jetën e përditshme.

Një manifestim i mrekullueshëm i këtij efekti është aftësia e gekove për të lëvizur përgjatë një sipërfaqe xhami vertikale apo edhe të përmbysur.

Mbushjet e putrave të tyre janë të mbuluara me dhjetëra mijëra qime të vogla (secila rreth 200 nm në diametër), të cilat rrisin ndjeshëm numrin e kontakteve të putrës me sipërfaqen. Kjo lejon që forcat e dobëta të ndërveprimit ndërmolekular (forcat van der Waals) ta mbajnë kafshën në sipërfaqe.

Shutterstock

Të njëjtat forca bëjnë që dy copa xhami të ngjiten së bashku nëse janë të mbështetura njëra me tjetrën për të njëjtën arsye, shkëndija mikroskopike ngjitet në objekte të ndryshme, falë tyre ekziston një fenomen kaq kompleks si forcat e tensionit sipërfaqësor, të cilat i lejojnë objektet të; notojnë në sipërfaqen e ujit dhe ekzistojnë në një gjendje sapuni.

Forcat Van der Waals bazohen në ndërveprimin e Kulombit midis elektroneve dhe bërthamave të një molekule dhe bërthamave dhe elektroneve të një tjetri. Në një distancë të caktuar midis tyre, forcat e tërheqjes dhe zmbrapsjes balancojnë njëra-tjetrën dhe formohet një sistem i qëndrueshëm.

Dhe megjithëse nuk është problem teknik për të vlerësuar forcën e ngjitjes në nivelin e objekteve makroskopike, deri vonë nuk ishte e mundur të matej në shkallën e dy atomeve fqinje, pasi këto forca janë ndër ndërveprimet më të dobëta në natyrë.

Për të zgjidhur këtë problem teknik, shkencëtarët përdorën një mikroskop të forcës atomike me temperaturë të ulët, një instrument që përdoret, për shembull, për të përcaktuar topografinë e një materiali me rezolucion hapësinor deri në nivelin atomik.

Këta mikroskopë bazohen në një gjilpërë të veçantë me madhësi nano, e cila devijohet kur ndërvepron me sipërfaqen që studiohet.

Fizikantët vendosën një atom ksenon në majën e gjilpërës, dhe tre atome të tjera - argon, kripton dhe ksenon - u vendosën në qelizat e një rrjetë të veçantë bakri. Kjo u bë në mënyrë që atomet e gazit fisnik të mund të lëviznin lirshëm brenda qelizave metalike dhe shkencëtarët të matin sasinë e devijimit të gjilpërës.

“Ne matëm ndërveprimin e van der Waals brenda çifteve të atomeve Ar-Xe, Kr-Xe dhe Xe-Xe duke përdorur një majë mikroskopi të forcës atomike me një atom ksenoni të montuar në të në temperaturë të ulët,” thanë autorët e studimit të botuar në. ditar Nature Communications .

Eksperimenti tregoi se forca e ndërveprimit rritet me rritjen e madhësisë së molekulës së bashkangjitur në substrat. Dihet nga teoria se këto forca bien ndjeshëm me rritjen e distancës midis atomeve, duke qenë proporcionale me r -6.

Me fjalë të tjera, kur distanca midis atomeve dyfishohet, forca e tërheqjes midis tyre zvogëlohet me 64 herë.

Rezultatet e matjes treguan se format e potencialeve reale përshkruhen mirë nga kjo kurbë, por madhësitë absolute të forcës i tejkalojnë llogaritjet teorike. Kështu, në çiftin ksenon-ksenon, forca van der Waals doli të ishte dy herë më e lartë se ajo e llogaritur.

Shkencëtarët besojnë se kjo për faktin se edhe në rastin e gazeve inerte, midis atomeve krijohen lidhje kovalente, të cilat ofrojnë tërheqje shtesë. Eksperimenti tregoi se teknologjia moderne mund të avancojë përdorimin e mikroskopëve të forcës atomike, i pari prej të cilëve u shfaq 30 vjet më parë.

Forcat e lidhjes në molekula.

Elektronet pranë bërthamës mbahen së bashku nga forcat e Kulombit të tërheqjes midis ngarkesave të kundërta. Atomi në tërësi është elektrikisht neutral. Molekulat përbëhen nga atome. Forcat që mbajnë atomet në molekula janë gjithashtu elektrike, por origjina e tyre është disi më e ndërlikuar. Ekzistojnë dy lloje lidhjesh midis atomeve në molekula.

Lidhja jonike. Disa atome kanë elektrone që lidhen shumë dobët me atomin në tërësi. Këto elektrone mund të humbasin lehtësisht nga një atom duke rezultuar në formimin e joneve pozitive, në atome të tjera është e kundërta, elektronet janë të lidhura fort me atomin dhe atomi mund të rrëmbejë një elektron tjetër dhe të bëhet jon negativ. Forcat tërheqëse të Kulonit veprojnë midis joneve, të cilat sigurojnë formimin e molekulave. Kur jonet afrohen, forcat refuzuese formohen midis ngarkesave të ngjashme. Këto molekula quhen polare . Kjo lidhje është tipike për molekulat polare.

Lidhja kovalente. Konsideroni dy ngarkesa pozitive me një ngarkesë negative midis tyre. Ngarkesat janë identike në modul. Sipas mekanikës kuantike, mesatarisht, disa elektrone kalojnë pjesën më të madhe të kohës midis bërthamave ndërsa lëvizin. Këto elektrone janë të përbashkëta dhe është e pamundur të thuhet se cilit atom i përkasin, ndaj quhet kjo lidhje kovalente . Është karakteristikë e molekulave jopolare. Për shembull, .

Për herë të parë në shkencën ekzakte, ideja e rolit thelbësor të forcave ndërmolekulare u prezantua nga fizikani holandez Van der Wals. Ai besonte se në distanca të vogla midis molekulave ka forca refuzuese, dhe në distanca të mëdha ka forca tërheqëse, prandaj forcat molekulare që veprojnë midis molekulave shpesh quhen Forcat Van der Waals . Këto forca janë të natyrës elektromagnetike. Çdo atom, dhe veçanërisht një molekulë, është një sistem kompleks i një numri të madh grimcash të ngarkuara.

Së pari do të shikojmë forcat orientuese. Për shumë molekula, për shembull, qendra e ngarkesave pozitive dhe negative nuk përkojnë. Një molekulë e tillë mund të konsiderohet përafërsisht si dipol . Vetitë elektrike të molekulave të tilla karakterizohen nga një dipol elektrike moment .

Forcat e ndërveprimit ndërmjet dy dipoleve mund të llogariten duke përdorur ligjin e Kulombit. Këto forca varen nga orientimi i dipoleve, pra ato orientuese

Forcat induktive (polarizimi). Nëse një molekulë është polare dhe tjetra është jopolare, atëherë molekula polare polarizon molekulën jopolare dhe ajo zhvillon një moment dipol. Ndërmjet momenteve të dipolit lind një forcë, e cila mund të llogaritet si më poshtë: .

Forcat e dispersionit. Forcat tërheqëse ekzistojnë gjithashtu midis molekulave jopolare. Mesatarisht, momentet dipole të këtyre molekulave janë zero, por për shkak të lëvizjes komplekse të elektroneve rreth bërthamës, vlera e menjëhershme e momentit dipol është e ndryshme nga zero. Një dipol elektrik i menjëhershëm polarizon molekulat dhe atomet fqinje. Llogaritjet kuantike tregojnë se këto forca varen nga distanca në distanca të vogla, në distanca të mëdha në krahasim me madhësinë e molekulës, shpejtësia përfundimtare e përhapjes së bashkëveprimit fillon të ndikojë.

Forcat repulsive. Forcat refuzuese veprojnë në distanca shumë të vogla midis molekulave ato rriten shumë shpejt kur molekulat afrohen dhe varen shumë nga struktura individuale e molekulave. Supozimi se forcat refuzuese varen nga distanca çon në rezultate mjaft të mira.

Forcat Van der Wals lindin në mungesë të plotë të shkëmbimit të ngarkesës, kështu që, në krahasim me forcat e lidhjes jonike, ato përfaqësojnë një rast tjetër ekstrem.

Një lidhje kovalente lind si rezultat i shkëmbimit të pjesshëm të ngarkesave dhe zë një pozicion të ndërmjetëm midis forcave van der Waals dhe lidhjeve jonike.

Ky lloj lidhjeje realizohet në formën e tij të pastër në kristalet e gazeve inerte. Dihet se guaska e jashtme e gazeve inerte është e mbushur plotësisht dhe për këtë arsye është shumë e qëndrueshme. Stabiliteti i shtresës së jashtme të 8 elektroneve manifestohet në faktin se bashkëveprimi i atomeve të gazit inert me atome të njëjta ose të tjera është jashtëzakonisht i dobët (aktiviteti i dobët kimik). Megjithatë, fakti që ato ende mund të kthehen në një lëng ose të ngurtë dëshmon ekzistencën e disa forcave tërheqëse midis atomeve; në të njëjtën kohë, temperaturat jashtëzakonisht të ulëta të nevojshme për kondensimin e tyre tregojnë se këto forca janë jashtëzakonisht të vogla. Forcat e shfaqura nga atomet e gazeve inerte në temperatura të ulëta quhen nga forcat van der Waals. Ener

Forca e tërheqjes për shkak të këtyre forcave është e vogël. Kështu, për shembull, për kriptonin, energjia e lidhjes është ~11.2 kJ/mol (0.116 eV/atom) ose në njësi të temperaturës ~100 K, e cila është e barabartë në rendin e madhësisë me temperaturën

shkrirja e kristaleve të gazeve inerte.

Le të shqyrtojmë arsyen e shfaqjes së këtyre forcave. Atomet me predha valente të mbushura kanë një shpërndarje sferike të ngarkesës elektronike dhe nuk kanë një moment elektrik konstant. Origjina e forcave van der Waals është për shkak të pranisë së momenteve dipole të induktuara të menjëhershme në atome të tilla. Nëse pozicioni mesatar i bërthamës atomike përputhej gjithmonë me qendrën e resë elektronike sferike që rrethon bërthamën, atëherë ndërveprimi i van der Waals midis atomeve do të ishte zero dhe një trup i ngurtë nuk mund të formohej. Megjithatë, elektronet në një atom lëvizin vazhdimisht në lidhje me bërthamat, edhe kur janë në gjendjen më të ulët të energjisë. Si rezultat i kësaj lëvizjeje, pozicioni i menjëhershëm i qendrës së resë elektronike mund të mos përkojë saktësisht me pozicionin e bërthamës atomike. Në këto momente, atomi ka një moment dipoli elektrik jo zero. Ky moment i menjëhershëm dipoli krijon një fushë elektrike në qendër të atomit të dytë, e cila nga ana tjetër shkakton një moment dipoli të menjëhershëm në atë atomin e dytë. Këto dy momente dipole ndërveprojnë me njëri-tjetrin, duke rezultuar në një ndërveprim van der Waals (dipolet janë të orientuara drejt njëri-tjetrit me skajet e ngarkuara kundërt, duke rezultuar në ndërveprimin e tyre elektrostatik). Energjia e këtij bashkëveprimi shprehet me formulën

U= −c/r 6, ku c- disa konstante empirike që karakterizojnë forcat e tërheqjes reciproke.

Në distanca të vogla ndërmjet atomeve me predha elektronike të mbushura, shfaqet veprimi i forcave repulsive, të shkaktuara nga mbivendosja e reve elektronike të tyre dhe zmbrapsja elektrostatike e bërthamave të tyre. Forcat repulsive në distanca që variojnë nga 0,5 A˚

deri në 5 A˚ forcat e tërheqjes reciproke bëhen më të mëdha. Potenciali i forcave repulsive përshkruhet nga shprehja empirike U= a/r 12, ku a- disa konstante empirike që karakterizojnë forcat repulsive.8 Energjia repulsive në këtë rast përcaktohet kryesisht

sipas parimit të përjashtimit të Paulit. Në të vërtetë, tavani është plot

8Këto forca shtytëse janë të ngjashme me forcat repulsive të diskutuara në seksionin mbi lidhjen jonike. Për të përshkruar ndryshimin e forcave repulsive me distancën, përveç formulës së mësipërme, përdoret gjerësisht formula U= λ exp(− r/ρ), ku ρ -

madhësia e zonës së ndërveprimit, λ është një konstante empirike që karakterizon forcën e ndërveprimit.

Shtimi i predhave elektronike është shtimi i elektroneve në gjendjet elektronike tashmë të mbushura, gjë që bie ndesh me parimin Pauli. Në realitet, mbivendosja është e mundur vetëm kur disa elektrone kalojnë në gjendje më të larta të papushtuara. Kjo do të thotë një rritje e energjisë së sistemit, dhe kjo është e barabartë me zmbrapsjen e ndërsjellë.

Kështu, energjia totale e bashkëveprimit ndërmolekular

në kristalet e gazeve inerte mund të paraqiten në formë

U= a/r 12 − c/r 6. (2.6)

Duhet të theksohet se veprimi i këtyre forcave manifestohet gjithmonë, pavarësisht dhe pavarësisht nga forcat e tjera. Forcat Van der Waals karakterizohen nga mungesa e drejtimit (për shkak të simetrisë sferike të shpërndarjes së densitetit të elektroneve) dhe ngopjes. Pasoja e kësaj është që gazrat fisnikë kristalizohen, si metalet, në struktura të paketuara ngushtë (zakonisht një rrjetë kubike e përqendruar në fytyrë me Z k = 12, ndonjëherë gjashtëkëndor Z k = 12).

Heitleri dhe Londra reduktojnë forcat që veprojnë midis dy atomeve në energjinë e shkëmbimit të çifteve të elektroneve që u përkasin njëkohësisht të dy atomeve. Meqenëse eigenfunksionet, dhe rrjedhimisht dendësia e ngarkesës së "reve" të elektroneve, zvogëlohen në mënyrë eksponenciale me distancën nga bërthama, vlera e integralit të shkëmbimit të të dy atomeve, të paktën për distanca të mëdha, zvogëlohet sipas të njëjtit ligj. Prandaj, forcat përkatëse të tërheqjes dhe zmbrapsjes kanë një rreze veprimi relativisht të vogël dhe praktikisht zhduken në një distancë nga bërthama e barabartë me disa A.

Por, përveç tyre, ndërmjet atomeve veprojnë edhe forca të tjera, madhësia e të cilave zvogëlohet më ngadalë me rritjen e distancës, për shkak të së cilës në distanca të mëdha mbizotëron veprimi në krahasim me veprimin e forcave të shkëmbimit. Këto forca janë rezultat i polarizimit elektrik të të dy atomeve. Të njëjtat forca tërheqëse hyjnë në ekuacionin e gjendjes së gazit van der Waals. Prandaj ne do t'i quajmë ato forca van der Waals.

Teoria mekanike kuantike e këtyre forcave u krijua nga Londra dhe Eisenschitz. Më poshtë do të përshkruajmë shkurtimisht përmbajtjen kryesore të kësaj teorie.

Të dy atomet janë aq larg njëri-tjetrit saqë funksionet e tyre nuk mbivendosen. Atëherë ne mund të neglizhojmë forcat e shkëmbimit midis atomeve dhe

Shkruani eigenfunksionin e pashqetësuar të sistemit tonë si produkt i eigenfunksioneve të atomit të parë dhe eigenvlera e patrazuar do të jetë si më poshtë:

ku tregon energjitë e gjendjes së gjendjes B. Le të supozojmë tani se distanca ndërmjet të dy atomeve mbetet e pandryshuar. Le të ndërtojmë një sistem koordinativ drejtkëndor, boshti i të cilit përkon me vijën e drejtë që lidh të dy atomet. Le të shënojmë dhe C përbërësit e momenteve të dipolit elektrik të atomeve. Atëherë, siç dihet, potenciali i ndërveprimit do të jetë i barabartë me:

Kjo energji lidhëse midis të dy atomeve, të cilën ne tani e konsiderojmë si energji perturbimi, është shkaku i forcave van der Waals.

Le të shqyrtojmë së pari shqetësimin e gjendjes bazë të sistemit nën ndikimin e energjisë lidhëse. Në një përafrim të parë, shqetësimi përcaktohet nga vlera mesatare e energjisë së shqetësimit të llogaritur duke përdorur eigenfunksionin e patrazuar

ku për shkurtim tregohet:

Të gjitha këto sasi janë të barabarta me zero, pasi një atom i patrazuar në gjendjen bazë nuk ka moment elektrik. Si rezultat, në një përafrim të parë, nuk ka asnjë shqetësim të vlerës vetjake të energjisë.

Përafrimi i dytë për energjinë e shqetësimit, sipas teorisë së shqetësimit, do të shprehet me formulën:

dhe elementet e matricës së energjisë së shqetësimit përcaktohen nga shprehjet e mëposhtme:

Këtu dhe sasitë përkatëse janë elementë matricë të momenteve elektrike të të dy atomeve. Ata gjithashtu përcaktojnë probabilitetet e tranzicionit optik. Duke i zëvendësuar ato në ekuacionin për dhe duke marrë në të njëjtën kohë vlerat, marrim

Meqenëse si numëruesi ashtu edhe emëruesi në anën e djathtë të kësaj shprehjeje janë pozitivë, energjia e atomeve në gjendjen bazë është gjithmonë më e vogël, atëherë konstanta K është pozitive.

Forcat Van der Waals

Forcat Van der Waals janë një nga llojet e forcave tërheqëse që veprojnë midis atomeve dhe molekulave. Rëndësia e këtyre forcave rrjedh nga dy vetitë e tyre unike. Së pari, këto forca janë universale. Ky mekanizëm i tërheqjes vepron midis të gjitha atomeve dhe molekulave. Ai është përgjegjës për fenomene të tilla si ngjitja e atomeve të gazit inert në gjendje të ngurtë dhe të lëngët dhe përthithja fizike e molekulave në sipërfaqen e trupave të ngurtë kur mungojnë lidhjet normale kimike. Së dyti, këto forca mbeten të rëndësishme në distanca relativisht të mëdha ndërmjet molekulave dhe janë shtesë për një numër të madh molekulash. Forcat Van der Waals ndikojnë në vetitë e ndryshme të gazeve. Përveç kësaj, ato çojnë në tërheqje midis dy objekteve të ngurta të ndara nga një hendek i vogël, i cili është thelbësor për kohezionin dhe stabilitetin e koloideve. Nëse molekulat janë disi larg njëra-tjetrës, shprehjet teorike për këto forca janë veçanërisht të thjeshta dhe tani janë konfirmuar eksperimentalisht si për molekulat e izoluara ashtu edhe për dy objekte të ngurta të ndara nga një hendek i vogël.
R.H.S. Winterton, Van der Waals Forces, Contemp. Fiz. 11 (6), 559 (1970) Përkthim. M. Gurevich. Autori i artikullit, R. Winterton, është anëtar i Laboratorit Cavendish, Kembrixh, MB.