Forces de Van Der Waals

Le Forces de Van der Waals ce sont des forces intermoléculaires de nature électrique qui peuvent être attractives ou répulsives. Il existe une interaction entre les surfaces des molécules ou des atomes, dont l'essence diffère essentiellement des liaisons ioniques, covalentes et métalliques qui se forment à l'intérieur des molécules.

Bien que faibles, ces forces sont capables d'attirer les molécules des gaz; également celle des gaz liquéfiés, solidifiés et de tous les liquides et solides organiques. C'est Johannes Van der Waals (1873) qui a développé une théorie pour expliquer le comportement des gaz réels.

Dans l’équation dite de van der Waals pour les gaz réels - (P + unn²/ V²) (V - nb)) = nRT - deux constantes sont introduites: la constante b (c'est-à-dire le volume occupé par les molécules de gaz) et "a", qui est une constante empirique.

La constante "a" corrige l'écart du comportement attendu des gaz parfaits à basses températures, précisément là où s'exprime la force d'attraction entre les molécules des gaz. La capacité d'un atome à se polariser augmente dans le tableau périodique du sommet d'un groupe jusqu'au bas de celui-ci, et de droite à gauche dans une période.

En augmentant le nombre atomique - et donc le nombre d'électrons -, ceux qui se trouvent dans les couches externes sont plus faciles à déplacer pour former des éléments polaires.

Index

• 1 Interactions électriques intermoléculaires
  • 1.1 Interaction entre dipôles permanents
  • 1.2 Interaction entre un dipôle permanent et un dipôle induit
• 2 forces de Londres ou dispersion
• 3 radios Van der Waals
• 4 Forces et énergie de l'interaction électrique entre atomes et entre molécules
• 5 références

Interactions électriques intermoléculaires

Interaction entre dipôles permanents

Il existe des molécules électriquement neutres, qui sont des dipôles permanents. Cela est dû à une perturbation de la distribution électronique qui produit une séparation spatiale des charges positives et négatives vers les extrémités de la molécule, constituant un dipôle (comme s'il s'agissait d'un aimant).

L'eau est composée de 2 atomes d'hydrogène à une extrémité de la molécule et d'un atome d'oxygène à l'autre extrémité. L'oxygène a une plus grande affinité pour les électrons que l'hydrogène et les attire.

Cela produit un déplacement des électrons vers l'oxygène, celui-ci étant chargé négativement et l'hydrogène avec une charge positive.

La charge négative d'une molécule d'eau peut interagir de manière électrostatique avec la charge positive d'une autre molécule d'eau provoquant une attraction électrique. Ainsi, ce type d’interaction électrostatique est appelé forces de Keesom.

Interaction entre un dipôle permanent et un dipôle induit

Le dipôle permanent présente ce qu'on appelle un moment dipolaire (μ). L'amplitude du moment dipolaire est donnée par l'expression mathématique:

μ = q.x

q = charge électrique.

x = distance spatiale entre les pôles.

Le moment dipolaire est un vecteur qui, par convention, est représenté orienté du pôle négatif vers le pôle positif. La magnitude de μ fait mal en expression (3.34 × 10^-30 C.m.

Le dipôle permanent peut interagir avec une molécule neutre provoquant une altération de sa distribution électronique, provenant de cette molécule un dipôle induit.

Le dipôle permanent et le dipôle induit peuvent interagir électriquement, produisant une force électrique. Ce type d’interaction est appelé induction et les forces qui l’agissent sont appelées forces de Debye.

Forces ou dispersion de Londres

La mécanique quantique explique la nature de ces forces attractives. Londres postulait que, en un instant, dans les molécules électriquement neutres, le centre des charges négatives des électrons et le centre des charges positives des noyaux pourraient ne pas coïncider.

Ensuite, la fluctuation de la densité électronique permet aux molécules de se comporter comme des dipôles temporaires.

Ce n'est pas en soi une explication des forces d'attraction, mais les dipôles temporels peuvent induire la polarisation correctement alignée des molécules adjacentes, entraînant la génération d'une force d'attraction. Les forces d'attraction générées par les fluctuations électroniques sont appelées forces ou dispersion de Londres.

Les forces de Van der Waals présentent une anisotropie, elles sont donc influencées par l'orientation des molécules. Cependant, les interactions de type dispersion sont toujours prédominantes.

Les forces de Londres deviennent plus fortes à mesure que la taille des molécules ou des atomes augmente.

Dans les halogènes, les molécules F₂ et Cl₂ de faibles nombres atomiques sont des gaz. Le br₂ de plus grand nombre atomique est un liquide et le I₂l'halogène de numéro atomique supérieur est un solide à température ambiante.

L'augmentation du nombre atomique augmente le nombre d'électrons présents, ce qui facilite la polarisation des atomes et, par conséquent, les interactions entre eux.Cela détermine l'état physique des halogènes.

Radios de Van der Waals

Les interactions entre les molécules et entre les atomes peuvent être attractives ou répulsives, en fonction d’une distance critique entre leurs centres, appelée r_v.

À des distances entre les molécules ou les atomes supérieurs à r_v, l'attraction entre les noyaux d'une molécule et les électrons de l'autre prédomine sur les répulsions entre les noyaux et les électrons des deux molécules.

Dans le cas décrit, l'interaction est attrayante, mais que se passe-t-il si les molécules se rapprochent d'une distance inférieure à leur centre de gravité? Alors la force répulsive sur l'attraction prédomine, ce qui s'oppose à une plus grande approche entre les atomes.

La valeur de r_v est donné par les radios dites Van der Waals (R). Pour les molécules sphériques et identiques r_v est égal à 2R. Pour deux molécules de rayons différentes R₁ et R₂: r_v est égal à R₁ + R₂. Les valeurs des rayons de Van der Waals sont données dans le tableau 1.

La valeur indiquée dans le tableau 1 indique un rayon de Van der Waals de 0,12 nm (10^-9 m) pour l'hydrogène. Ensuite, la valeur de r_v pour cet atome, il est de 0,24 nm. Pour une valeur de r_v moins de 0,24 nm produira une répulsion entre les atomes d'hydrogène.

Forces et énergie de l'interaction électrique entre atomes et entre molécules

La force entre deux charges qui₁ et alors₂, séparé dans le vide par la distance r, est donné par la loi de Coulomb.

F = k. q₁.q₂/ r²

Dans cette expression, k est une constante dont la valeur dépend des unités utilisées. Si la valeur de la force, donnée par l'application de la loi de Coulomb, est négative, elle indique une force d'attraction. Au contraire, si la valeur donnée à la force est positive, elle indique une force de répulsion.

Comme les molécules sont généralement dans un milieu aqueux qui protège les forces électriques exercées, il est nécessaire d'introduire le terme de constante diélectrique (ε). Ainsi, cette constante corrige la valeur donnée aux forces électriques par l'application de la loi de Coulomb.

F = k.q₁.q₂/ε.r²

De même, l’énergie pour l’interaction électrique (U) est donnée par l’expression:

U = k. q₁.q₂/ε.r

Références

1. Les rédacteurs de l'encyclopédie Britannica. (2018). Les forces de Van der Waals. Récupéré le 27 mai 2018 de: britannica.com
2. Wikipedia. (2017). Les forces de Van der Waals. Récupéré le 27 mai 2018 de: en.wikipedia.org
3. Kathryn Rashe, Lisa Peterson, Seila Buth, Irene Ly. Forces de Van der Waals. Extrait le 27 mai 2018 de: chem.libretexts.org
4. Morris, J. G. (1974) Une chimie physique de biologiste. 2 et édition. Edward Arnold (Publishers) Limited.
5. Mathews, C.K., Van Holde, K.E. et Ahern, K.G. (2002) Biochimie. Troisième édition. Addison Wesley Longman, Inc.