प्रतिक्रियाशील ऊर्जा
21.01.2024

अंतरआण्विक वैन डेर वाल्स बल। आणविक बंधन (वैन डेर वाल्स बल) - सामग्री विज्ञान के मूल सिद्धांत वैन डेर वाल्स अणुओं के बंधन

वैन डेर वाल्स बल, अंतर-आणविक आकर्षण बल, के तीन घटक होते हैं: ओरिएंटेशनल, इंडक्टिव और फैलाव इंटरैक्शन।

अभिविन्यास(द्विध्रुव - द्विध्रुवीय) ध्रुवीय अणुओं के बीच अंतःक्रिया प्रकट होती है। अणुओं की यादृच्छिक तापीय गति के परिणामस्वरूप, जब वे एक-दूसरे के पास आते हैं, तो द्विध्रुवों के समान आवेशित सिरे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, और विपरीत आवेशित सिरे आकर्षित होते हैं। अणु जितने अधिक ध्रुवीय होंगे, उनका आकर्षण उतना ही मजबूत होगा और इस प्रकार ओरिएंटेशनल इंटरैक्शन उतना ही अधिक होगा।

प्रेरणअणुओं की परस्पर क्रिया उनके प्रेरित द्विध्रुवों के कारण होती है। आइए मान लें कि ध्रुवीय और गैर-ध्रुवीय अणु हैं। एक ध्रुवीय अणु के प्रभाव में, एक गैर-ध्रुवीय अणु विकृत हो जाता है और उसमें एक द्विध्रुव प्रकट (प्रेरित) होता है। प्रेरित द्विध्रुव ध्रुवीय अणु के स्थायी द्विध्रुव की ओर आकर्षित होता है और बदले में ध्रुवीय अणु के विद्युत द्विध्रुव क्षण को बढ़ाता है। अणु का द्विध्रुव आघूर्ण और ध्रुवीकरण जितना अधिक होगा, आगमनात्मक अंतःक्रिया उतनी ही अधिक होगी।

फैलानेवालाउनके तात्कालिक माइक्रोडिपोल के कारण अणुओं की एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया। जैसे-जैसे अणु एक-दूसरे के करीब आते हैं, माइक्रोडिपोल का अभिविन्यास स्वतंत्र होना बंद हो जाता है और विभिन्न अणुओं में उनकी उपस्थिति और गायबता एक-दूसरे के साथ समय में होती है। विभिन्न अणुओं के माइक्रोडिपोल की समकालिक उपस्थिति और गायब होना उनके साथ होता है

आकर्षण। माइक्रोडिपोल्स की उपस्थिति और गायब होने में समकालिकता के अभाव में, प्रतिकर्षण होता है।

उनकी भौतिक प्रकृति थोड़ी भिन्न होती है, लेकिन उनकी क्षमता अणुओं के बीच की दूरी पर उसी तरह निर्भर करती है - जैसे। इससे वैन डेर वाल्स बल के तीन घटकों के अनुरूप इंटरैक्शन स्थिरांक की सीधे तुलना करना संभव हो जाता है, और दूरी पर उनकी समान निर्भरता के कारण, घटकों के बीच का अनुपात अलग-अलग बनाए रखा जाएगा। गुणक के लिए स्थिरांक अलग-अलग पदार्थों के लिए अलग-अलग होंगे।

(1)

वैन डेर वाल्स बल के सभी तीन घटक द्विध्रुवों की परस्पर क्रिया पर आधारित हैं, तो आइए हम दो मुख्य सूत्रों को याद करें।

दिशा में यूनिट वेक्टर कहां है
उस बिंदु से द्विध्रुव तक जहां हम क्षेत्र की तलाश कर रहे हैं।

हाइड्रोजन बंध

सौरमंडल के किसी भी ग्रह की सतह पर हमारी पृथ्वी जितना पानी नहीं है। समुद्र और महासागर, लगभग 6 किमी की औसत गहराई के साथ, पृथ्वी की सतह का 71% भाग कवर करते हैं। बर्फ और बर्फ के रूप में पानी की एक बड़ी मात्रा ध्रुवीय क्षेत्रों में केंद्रित है।

इस आश्चर्यजनक तथ्य को अभी तक कोई स्पष्ट व्याख्या नहीं मिल पाई है। बेशक, पानी हमारे ग्रह पर जीवन के उद्भव और अस्तित्व में बहुत बड़ी भूमिका निभाता है। यह काफी हद तक उन गुणों के कारण है जो इसके निकटतम पड़ोसियों और समकक्षों के पास नहीं हैं। सबसे पहले, हमें यह समझने की आवश्यकता है कि उन परिस्थितियों में पानी तरल और यहां तक ​​कि ठोस अवस्था (बर्फ) में क्यों हो सकता है, जिसमें भारी तत्वों (सल्फर, सेलेनियम, आदि) के साथ हाइड्रोजन के समान यौगिक गैसीय होते हैं।

जल के अणु में निम्नलिखित इलेक्ट्रॉनिक संरचना होती है:

दो इलेक्ट्रॉन जोड़े हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच ध्रुवीय सहसंयोजक बंधन बनाते हैं, और शेष दो इलेक्ट्रॉन जोड़े स्वतंत्र रहते हैं और कहलाते हैं अविभाजित. पानी के अणु की संरचना कोणीय होती है, H-O-H कोण 104.5 डिग्री होता है।

ऑक्सीजन परमाणुओं और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए हाइड्रोजन परमाणुओं पर अकेले इलेक्ट्रॉन जोड़े के एच 2 ओ अणुओं की उपस्थिति अणुओं के बीच एक बहुत ही विशेष बातचीत की ओर ले जाती है, जिसे कहा जाता है हाइड्रोजन बंध(चित्र 7-1)। सभी प्रकार के रासायनिक बंधनों के विपरीत, जो हम पहले से ही परिचित हैं, यह बंधन है आणविक .

एक हाइड्रोजन बंधन (आकृति में एक बिंदीदार रेखा द्वारा दर्शाया गया) तब होता है जब एक पानी के अणु का एक इलेक्ट्रॉन-रहित हाइड्रोजन परमाणु दूसरे पानी के अणु के ऑक्सीजन परमाणु के एक अकेले इलेक्ट्रॉन जोड़े के साथ संपर्क करता है।

चावल। 7-1. पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधन (बिंदीदार रेखाओं द्वारा दर्शाया गया)।

हाइड्रोजन बॉन्डिंग एक विशेष मामला है अंतरआण्विक बंधन. ऐसा माना जाता है कि यह मुख्य रूप से इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों के कारण होता है। हाइड्रोजन बंधन घटित होने के लिए, अणु में एक या अधिक हाइड्रोजन परमाणु छोटे लेकिन विद्युत ऋणात्मक परमाणुओं से बंधे होने चाहिए, उदाहरण के लिए: ओ, एन, एफ। यह महत्वपूर्ण है कि इन विद्युत ऋणात्मक परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों के एकाकी जोड़े हों। इसलिए, हाइड्रोजन बांड पानी एच 2 ओ, अमोनिया एनएच 3, हाइड्रोजन फ्लोराइड एचएफ जैसे पदार्थों की विशेषता है। उदाहरण के लिए, एचएफ अणु हाइड्रोजन बांड द्वारा एक दूसरे से जुड़े होते हैं, जिन्हें बिंदीदार रेखाओं के साथ चित्र में दिखाया गया है:

हाइड्रोजन बांड सहसंयोजक बांड की तुलना में लगभग 20 गुना कमजोर होते हैं, लेकिन वे सामान्य परिस्थितियों में पानी को तरल या बर्फ (गैस के बजाय) बनाते हैं। हाइड्रोजन बंधन तभी टूटते हैं जब तरल पानी वाष्प में बदल जाता है।

0°C से ऊपर (लेकिन क्वथनांक से नीचे) तापमान पर, पानी में वैसी क्रमबद्ध अंतर-आणविक संरचना नहीं रह जाती जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 7-1. इसलिए, तरल पानी में, अणु केवल कई अणुओं के अलग-अलग समुच्चय में एक दूसरे से जुड़े होते हैं। ये समुच्चय एक दूसरे के बगल में स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं, जिससे एक गतिशील तरल बनता है। लेकिन जैसे-जैसे तापमान घटता है, क्रम बड़ा होता जाता है और समुच्चय बड़े होते जाते हैं। अंत में, बर्फ बनती है, जिसकी बिल्कुल क्रमबद्ध संरचना होती है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।

बर्फ के क्रिस्टल में अणुओं के बीच रिक्त स्थान रहता है। इन रिक्तियों का आयतन एक व्यक्तिगत H2O अणु के आकार से बड़ा होता है। इसलिए, बर्फ का घनत्व तरल पानी की तुलना में कम होता है और पानी की सतह पर तैरता है। अधिकांश अन्य पदार्थ जमने पर अपना घनत्व बढ़ा देते हैं।

इस प्रकार, हाइड्रोजन बांड पानी को एक और अद्वितीय गुण प्रदान करते हैं, जिसके बिना पृथ्वी के उन क्षेत्रों में विविध जीवन शायद ही मौजूद होगा जहां सर्दियों में तापमान 0 डिग्री सेल्सियस से नीचे चला जाता है। यदि बर्फ पानी में डूब जाए, तो सर्दियों में सभी जलस्रोत नीचे तक जम जाएंगे। यह उम्मीद करना मुश्किल है कि मछलियाँ ऐसी परिस्थितियों में रहने के लिए सहमत होंगी। एक व्यक्ति अपनी आवश्यकताओं के लिए बर्फ को पिघलाकर उसे पानी में बदल सकता है, लेकिन इसके लिए अतिरिक्त ऊर्जा के भारी व्यय की आवश्यकता होगी।

विघटन

विघटन एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया है: स्थितियों के आधार पर, या तो विघटन होता है या समाधान से विघटित पदार्थ का विमोचन होता है। विघटन प्रक्रिया की प्रतिवर्तीता के कारण, ले चेटेलियर का सिद्धांत इस पर लागू होता है। यदि किसी पदार्थ का विघटन ऊष्मा के अवशोषण के साथ होता है, तो तापमान में वृद्धि से घुलनशीलता में वृद्धि होती है। इसके विपरीत, यदि किसी पदार्थ के घुलने पर ऊष्मा निकलती है, तो तापमान में वृद्धि से घुलनशीलता में कमी आ जाएगी। ज्यादातर मामलों में, बढ़ते तापमान के साथ लवण की घुलनशीलता बढ़ जाती है, कुछ के लिए मामूली (NaCl), और कुछ के लिए बहुत दृढ़ता से (KNO3, AgNO3), और केवल कुछ मामलों में घुलनशीलता कम हो जाती है।

एक घोल को संतृप्त कहा जाता है यदि यह घुले हुए पदार्थ के ठोस चरण के साथ संतुलन में है और इसमें दी गई शर्तों के तहत इसकी अधिकतम मात्रा संभव है (गतिशील संतुलन होता है)।

वह विलयन जिसकी सांद्रता संतृप्त विलयन की सांद्रता से कम हो, असंतृप्त कहलाता है। ऐसे समाधान में, समान परिस्थितियों में, पदार्थ की अतिरिक्त मात्रा को भंग किया जा सकता है। ऐसे सुपरसैचुरेटेड समाधान भी होते हैं जिनमें दी गई स्थितियों के तहत इसकी घुलनशीलता से अपेक्षा से अधिक पदार्थ होते हैं (उच्च तापमान पर प्राप्त शीतलन समाधानों द्वारा प्राप्त किया जाता है। ऐसे समाधान मेटास्टेबल होते हैं। "बीज" क्रिस्टल के रूप में या दीवार के खिलाफ कांच की छड़ को रगड़ते हैं पोत पदार्थ के हिंसक क्रिस्टलीकरण का कारण बनता है)।

वान डेर वाल्स बल

वैन डेर वाल्स बल परमाणुओं और अणुओं के बीच कार्य करने वाले आकर्षक बलों में से एक हैं। इन बलों का महत्व उनके दो अद्वितीय गुणों से पता चलता है। सबसे पहले, ये ताकतें सार्वभौमिक हैं। आकर्षण का यह तंत्र सभी परमाणुओं और अणुओं के बीच संचालित होता है। यह ठोस और तरल अवस्था में अक्रिय गैस परमाणुओं के आसंजन और सामान्य रासायनिक बंधन अनुपस्थित होने पर ठोस पदार्थों की सतह पर अणुओं के भौतिक सोखने जैसी घटनाओं के लिए जिम्मेदार है। दूसरे, ये बल अणुओं के बीच अपेक्षाकृत बड़ी दूरी पर महत्वपूर्ण रहते हैं और बड़ी संख्या में अणुओं के लिए योगात्मक होते हैं। वैन डेर वाल्स बल गैसों के विभिन्न गुणों को प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, वे एक छोटे से अंतराल से अलग हुई दो ठोस वस्तुओं के बीच आकर्षण पैदा करते हैं, जो कोलाइड्स के सामंजस्य और स्थिरता के लिए आवश्यक है। यदि अणु कुछ दूरी पर हैं, तो इन बलों के लिए सैद्धांतिक अभिव्यक्तियाँ विशेष रूप से सरल हैं और अब पृथक अणुओं और एक छोटे से अंतराल से अलग की गई दो ठोस वस्तुओं दोनों के लिए प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई है।
आर.एच.एस. विंटरटन, वैन डेर वाल्स फोर्सेज, कॉन्टेम्प। भौतिक. 11 (6), 559 (1970) अनुवाद। एम. गुरेविच. लेख के लेखक, आर. विंटरटन, कैवेंडिश प्रयोगशाला, कैम्ब्रिज, यूके के सदस्य हैं।

10-20 केजे/मोल। यह शब्द मूल रूप से ऐसे सभी बलों को दर्शाता है; आधुनिक विज्ञान में इसे आमतौर पर अणुओं के ध्रुवीकरण और द्विध्रुव के गठन से उत्पन्न होने वाले बलों पर लागू किया जाता है। इसकी खोज 1869 में जे.डी. वैन डेर वाल्स ने की थी।

अक्रिय गैसों के अंतर-परमाणु संपर्क के वेंडर वाल्स बल अक्रिय गैसों (गैस, तरल और ठोस) के एकत्रीकरण की स्थिति के अस्तित्व की संभावना निर्धारित करते हैं।

वैन डेर वाल्स बलों में द्विध्रुवों (स्थायी और प्रेरित) के बीच बातचीत शामिल है। नाम इस तथ्य से आता है कि ये बल वास्तविक गैस की स्थिति के वैन डेर वाल्स समीकरण में आंतरिक दबाव सुधार का कारण हैं। ये अंतःक्रियाएं, साथ ही हाइड्रोजन बांड, जैविक मैक्रोमोलेक्यूल्स की स्थानिक संरचना के गठन को निर्धारित करते हैं।

वेंडर वाल्स बल एक कण (स्थूल कण या नैनोकण) और एक अणु और दो कणों के बीच भी होते हैं।

वैन डेर वाल्स बलों का वर्गीकरण

वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन में तीन प्रकार के कमजोर विद्युत चुम्बकीय इंटरैक्शन होते हैं:

  • उन्मुखीकरण बल, द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण। यह उन अणुओं के बीच किया जाता है जो स्थायी द्विध्रुव होते हैं। इसका एक उदाहरण तरल और ठोस अवस्था में एचसीएल है। ऐसी अंतःक्रिया की ऊर्जा द्विध्रुवों के बीच की दूरी के घन के व्युत्क्रमानुपाती होती है।
  • फैलाव आकर्षण (लंदन बल, फैलाव बल)।तात्कालिक और प्रेरित द्विध्रुवों के बीच परस्पर क्रिया के कारण होता है। ऐसी अंतःक्रिया की ऊर्जा द्विध्रुवों के बीच की दूरी की छठी शक्ति के व्युत्क्रमानुपाती होती है।
  • आगमनात्मक आकर्षण (ध्रुवीकरण आकर्षण)।एक स्थायी द्विध्रुव और एक प्रेरित द्विध्रुव के बीच परस्पर क्रिया। ऐसी अंतःक्रिया की ऊर्जा द्विध्रुवों के बीच की दूरी की छठी शक्ति के व्युत्क्रमानुपाती होती है।

अब तक, कई लेखक इस धारणा से आगे बढ़ते हैं कि वैन डेर वाल्स बल स्तरित क्रिस्टल में इंटरलेयर इंटरैक्शन का निर्धारण करते हैं, जो प्रयोगात्मक डेटा का खंडन करता है: डेबी तापमान अनिसोट्रॉपी स्केल और, तदनुसार, जाली प्रतिबिंब अनिसोट्रॉपी स्केल। इस गलत धारणा के आधार पर, कई द्वि-आयामी मॉडल बनाए गए हैं जो विशेष रूप से ग्रेफाइट और बोरान नाइट्राइड के गुणों का "वर्णन" करते हैं।

बाद के मामले में, तथाकथित कासिमिर और कासिमिर-लाइफशिट्ज़ बल कार्य करते हैं।

प्रकृति में अभिव्यक्तियाँ

यह सभी देखें

टिप्पणियाँ

साहित्य

  • बरश यू.एस.वान डेर वाल्स बल. - एम.: नौका, 1988. - 344 पी।
  • कपलान आई. जी.अंतरआण्विक अंतःक्रिया के सिद्धांत का परिचय। - एम.: नौका, 1982. - 312 पी।
  • कपलान आई. जी.अंतरआण्विक अंतःक्रिया. भौतिक व्याख्या, कंप्यूटर गणना और मॉडल क्षमता। - एम.: बिनोम। ज्ञान प्रयोगशाला, 2012. - 400 पी। - आईएसबीएन 978-5-94774-939-7।
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प्रयोग की योजना और परिणामी छवि का एक उदाहरण।

संयुक्त राज्य अमेरिका और चीन के भौतिकविदों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करके पहली बार क्सीनन परमाणुओं के एक मोनोलेयर की छवियां प्राप्त कीं, जिस पर, जैसा कि लेखकों का सुझाव है, वैन डेर वाल्स बांड अंकित हैं। में लेख प्रकाशित द जर्नल ऑफ़ फिजिकल केमिस्ट्री लेटर्स.

वैन डेर वाल्स बल सबसे कमजोर अंतर-परमाणु अंतःक्रियाओं में से एक हैं, लेकिन उनकी ख़ासियत यह है कि वे किसी भी तत्व के परमाणुओं के बीच खुद को प्रकट करते हैं, चाहे उनकी रासायनिक समानता कुछ भी हो। इसके कारण, वैन डेर वाल्स बल अक्रिय गैसों के परमाणुओं के बीच भी मौजूद होते हैं, जिससे उनका कमजोर जुड़ाव होता है और संघनित पदार्थ (तरल और ठोस) का निर्माण होता है। इस तथ्य के बावजूद कि विभिन्न प्रक्रियाओं में वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन की भूमिका सर्वविदित है, उन्हें स्पष्ट रूप से कैप्चर नहीं किया गया है, क्योंकि यह अभी भी स्पष्ट नहीं है कि क्या ये बल इलेक्ट्रॉन घनत्व में किसी स्पष्ट परिवर्तन के साथ हैं जिन्हें "देखा" जा सकता है। कुछ प्रयोगों की मदद से.

नए काम के लेखकों ने विभिन्न सब्सट्रेट्स - क्रिस्टलीय चांदी और बड़े कार्बनिक अणुओं पर अवशोषित क्सीनन परमाणुओं की परतों की जांच की। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक चांदी की जांच के साथ एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग किया, जिसके अंत में कार्बन मोनोऑक्साइड (सीओ) का एक अणु सोख लिया गया था। संकेत इस अणु की कंपन ऊर्जा में उसके पर्यावरण के आधार पर परिवर्तन था: उदाहरण के लिए, जब जांच दो क्सीनन परमाणुओं को जोड़ने वाली पारंपरिक रेखा से ऊपर थी, तो सीओ की कंपन ऊर्जा कम हो गई, और जब यह बीच में "गुहा" में चली गई तीन पड़ोसी परमाणुओं में वृद्धि हुई।

शोध के परिणामों के आधार पर, लेखकों ने अधिशोषित क्सीनन को दर्शाने वाले मानचित्र प्राप्त किए। इन पर अक्रिय गैस परमाणु स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं, लेकिन इसके अलावा, पड़ोसी परमाणुओं को जोड़ने वाली रेखाएँ भी दिखाई देती हैं। लेखक इन आंकड़ों की व्याख्या वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन के दृश्य के रूप में करते हैं, क्योंकि सीओ जांच की संवेदनशीलता पर्यावरण में ऐसी कमजोर विकृतियों को भी अलग करना संभव बनाती है।

अव्यवस्थित क्सीनन परमाणुओं के लिए प्राप्त छवियां: (ए-सी) निरंतर वर्तमान मोड में प्राप्त राहत; (डी-एफ) निरंतर ऊंचाई पर सुरंग धारा, साथ ही संभावित अंतर के संबंध में इसका पहला और दूसरा डेरिवेटिव।

छवि: ज़ुमिन हान एट अल./ जे. फ़िज़. रसायन. लेट.

नया कार्य इस क्षेत्र के करीबी भौतिकविदों के बीच चर्चा की लहर पैदा करने में कामयाब रहा। इस तथ्य के बावजूद कि प्रतिभागी अध्ययन के उच्च प्रायोगिक स्तर से सहमत हैं, हर कोई लेखकों द्वारा प्रस्तावित व्याख्या को स्वीकार नहीं करता है। विशेष रूप से, संबंधित कार्य में, लेखकों ने जांच की कि सीओ जांच के साथ परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके हाइड्रोजन बांड को कितनी अच्छी तरह देखा जा सकता है। इस पेपर में, वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला कि मानचित्रों में देखी गई परमाणुओं के बीच की रेखाएं बल माप में विकृतियों के कारण थीं, इसलिए उन्हें हाइड्रोजन बांड का दृश्य नहीं माना जा सकता है।

वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन न केवल परमाणुओं या अणुओं के आकार के करीब के पैमाने पर भूमिका निभाते हैं, जैसा कि अक्रिय गैसों के संघनन के मामले में होता है। इस तथ्य के कारण कि ये बल योगात्मक हैं, दो बड़े पिंडों (उदाहरण के लिए कोलाइडल कण) की परस्पर क्रिया के दौरान, सभी परमाणुओं के योगदान को संक्षेप में प्रस्तुत किया जाता है, जो अंततः एक ऐसी अंतःक्रिया की उपस्थिति की ओर ले जाता है जो अब ध्यान देने योग्य नहीं है। सूक्ष्म स्तर के बजाय नैनो-। इस प्रकार, प्रसिद्ध सिद्धांत में जो कोलाइडल समाधानों की स्थिरता का वर्णन करता है (इनमें सभी प्रकार के नैनोकण, क्वांटम डॉट्स के निलंबन और इसी तरह के अन्य शामिल हैं), यह वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन है जो प्रमुख भूमिकाओं में से एक निभाता है और नेतृत्व करता है यदि सिस्टम अतिरिक्त रूप से स्थिर नहीं है तो कणों और वर्षा का एक साथ चिपकना।

तारास मोलोटिलिन

वैन डेर वाल्स समीकरण

1873 में, वैन डेर वाल्स ने व्यास डी की असंपीड्य गेंदों के एक-दूसरे को आकर्षित करने और आकर्षित होने के आणविक मॉडल के आधार पर, अपना आश्चर्यजनक रूप से सरल समीकरण निकाला। एक वास्तविक गैस में, आणविक आकर्षण के परिणामस्वरूप, एक आदर्श गैस में दबाव की तुलना में गतिज दबाव बढ़ जाता है। सबसे सामान्य विचारों से, आणविक आकर्षण आकर्षित करने वाले और आकर्षित करने वाले दोनों अणुओं की संख्या के समानुपाती होता है; Δपी ~ एन 2. आणविक प्रतिकर्षण के परिणामस्वरूप, वास्तविक गैस में मुक्त आयतन गैस द्वारा भरे गए कंटेनर के आयतन से कम होता है। वैन डेर वाल्स ने प्रत्येक अणु के चारों ओर निषिद्ध आयतन का अनुमान लगाया, जिसमें किसी अन्य अणु का केंद्र आपसी प्रतिकर्षण के कारण प्रवेश नहीं कर सकता, एक गोले के आयतन के रूप में, जहाँ D व्यास D के दो असम्पीडित गोले के केंद्रों के बीच की दूरी है। इसलिए, गैस के एक मोल का कुल निषिद्ध आयतन बराबर होगा, अर्थात असंपीड्य अणुओं के आयतन N a के चार गुना के बराबर।

एक आदर्श गैस के लिए क्लैपेरॉन का समीकरण:

pV=N a kT (3.2);

वैन डेर वाल्स समीकरण क्लैपेरॉन समीकरण है, जिसमें अंतर-आणविक संपर्क के कारण बढ़े हुए गतिज दबाव और कम वास्तविक मुक्त मात्रा के लिए उपर्युक्त सुधार पेश किए गए हैं:

या (3.3);

जहां a एक स्थिरांक है, b4V 0 (V 0 अणु का आयतन है)।

यदि चर P, V और T के रूप में हम उनके सापेक्ष मान P c =P/P k , T c =T/T k , V c =V/V k  (जहाँ P k , T k , V k महत्वपूर्ण हैं) का उपयोग करते हैं मान) , तो वैन डेर वाल्स कानून संबंधित राज्यों के सार्वभौमिक कानून का रूप लेता है:

- सार्वभौमिक कार्य;

- सार्वभौमिक स्थिरांक.

इस नियम का परिणाम इस प्रकार तैयार किया जा सकता है: सभी पदार्थ समान सापेक्ष दबाव और तापमान पर उबलते हैं। या फिर: समान सापेक्ष दबाव और तापमान पर सभी पदार्थों की सापेक्ष मात्रा समान होती है। वैन डेर वाल्स समीकरण को दूसरे रूप में लिखा जा सकता है:

(3.4);

वे। तापमान की व्युत्क्रम शक्तियों में आकर्षक क्षमता के विस्तार के रूप में प्रस्तुत किया गया है, जिसमें केवल पहले पद को ध्यान में रखा गया है। इस दृष्टिकोण का औचित्य आकर्षक बलों की लंबी दूरी की प्रकृति के बारे में वैन डेर वाल्स की धारणा के रूप में कार्य करता है। लंबी दूरी की कार्रवाई के मामले में, हम यह मान सकते हैं कि अणुओं के एक विन्यास से दूसरे में जाने पर, उनकी संभावित ऊर्जा नहीं बदलेगी, यानी। ए = स्थिरांक इस तथ्य के कारण कि वे निरंतर ऊर्जा घनत्व वाले पड़ोसियों के औसत क्षेत्र में हैं।

इस समीकरण के गणितीय और प्रायोगिक अध्ययनों से पता चला है कि वैन डेर वाल्स सुधार का गहरा भौतिक अर्थ है। वे गुणात्मक रूप से न केवल सिस्टम के गुणों में परिवर्तन का वर्णन करते हैं जो गैस-तरल चरण संक्रमण को निर्धारित करते हैं, बल्कि महत्वपूर्ण क्षेत्र के आकार का भी वर्णन करते हैं। इसके अलावा, यदि कम दूरी की बातचीत के कारण आकर्षक बलों को स्थिर नहीं माना जा सकता है, तो वैन डेर वाल्स समीकरण 1/टी 2 शब्द को ध्यान में रखते हुए निम्नलिखित सन्निकटन की अनुमति देता है।

वान डेर वाल्स 1873 में पदार्थ की अनाकार अवस्थाओं में गैर-रासायनिक अंतर-आणविक अंतःक्रिया की उपस्थिति को इंगित करने वाले पहले लोगों में से एक थे और उन्होंने इस अंतःक्रिया को लंबी दूरी के आकर्षण और छोटी दूरी के प्रतिकर्षण में विभाजित किया। साथ ही, उन्होंने वास्तविक गैस की अवस्थाओं की गणना करते समय उपरोक्त बलों को ध्यान में रखने के लिए अब तक का सबसे सरल, लेकिन साथ ही तापमान और दबाव की एक विस्तृत श्रृंखला में काफी सटीक, एक गणितीय मॉडल प्रस्तावित किया। उपरोक्त परिस्थितियों के संबंध में, अंतर-आणविक आकर्षण की लंबी दूरी की ताकतों और अंतर-आण्विक प्रतिकर्षण की कम दूरी की ताकतों को वैन डेर वाल्स बल कहा जाता था।

जैसा कि क्वांटम यांत्रिक गणना से पता चलता है, लंबी दूरी की अंतर-आणविक संपर्क की ऊर्जा में तथाकथित इलेक्ट्रोस्टैटिक और दूसरे क्रम की गड़बड़ी ऊर्जा - प्रेरण और फैलाव शामिल है। इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन अणुओं के द्विध्रुवीय क्षणों के बीच, आयनों और समाधानों या मिश्र धातुओं में द्विध्रुवों के बीच होता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन में तटस्थ अणुओं के लिए, अणुओं के स्थायी द्विध्रुवीय क्षणों की तथाकथित ओरिएंटेशनल इंटरैक्शन महत्वपूर्ण है।

अभिविन्यास, प्रेरण और फैलाव इंटरैक्शन वैन डेर वाल्स आकर्षक बलों के तीन सबसे महत्वपूर्ण घटक हैं। वैन डेर वाल्स बलों को लंबी दूरी का बल कहा जाता है, क्योंकि वैन डेर वाल्स की परस्पर क्रिया की ऊर्जा दूरी के साथ काफी धीरे-धीरे कम होती जाती है और आर-एन के समानुपाती होती है।

वैन डेर वाल्स ओरिएंटेशन इंटरैक्शन

(केज़ोम प्रभाव)

आइए दो द्विध्रुवों के बीच संभावित अंतःक्रिया बलों पर विचार करें।

यदि दो द्विध्रुव एक ही सीधी रेखा पर स्थित हैं और समान रूप से उन्मुख हैं (चित्र 3.4 ए), तो वे उनके बीच की दूरी की तीसरी शक्ति के व्युत्क्रमानुपाती बल से आकर्षित होते हैं, जिससे द्विध्रुव "पूंछ" में स्थित हो जाते हैं।

चावल। 3.4. द्विध्रुवों का स्थान.

एक समान बल समानांतर सीधी रेखाओं पर स्थित दो विपरीत दिशा वाले द्विध्रुवों के बीच एक दूसरे से सबसे कम दूरी पर कार्य करता है (चित्र 3.4 बी), द्विध्रुवों की स्थापना "एक के नीचे एक" (द्विध्रुवों की प्रतिसमानांतर स्थापना)। दोनों ही मामलों में, वे उन्मुख होते हैं ताकि सिस्टम की ऊर्जा न्यूनतम हो जाए (चित्र 3.4)। यदि द्विध्रुव चित्र में दिखाए अनुसार उन्मुख नहीं हैं। 3.4 फिर द्विध्रुवों के बीच, रेडियल अंतःक्रिया (आकर्षण या प्रतिकर्षण) के बल के अलावा, एक टॉर्क उत्पन्न होता है।

तरल पदार्थ और गैसों में, तापीय गति सभी प्रकार के आणविक अभिविन्यासों की ओर ले जाती है। तरल पदार्थ और गैसों के लिए थर्मल गति को ध्यान में रखते हुए, सभी संभावित झुकावों पर अंतःक्रिया ऊर्जा का औसत करते समय, गणना निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:

(3.5);

जहाँ s द्विध्रुवों के केन्द्रों के बीच की दूरी है; µ 1 और µ 2 द्विध्रुव के आघूर्ण हैं।

ओरिएंटेशनल वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन इलेक्ट्रोलाइटिक पृथक्करण की प्रक्रियाओं में एक निर्णायक भूमिका निभाते हैं। अधिकांश ध्रुवीय पदार्थों के लिए, ओरिएंटेशनल प्रकृति के वान डेर वाल्स बांड पिघलने और उर्ध्वपातन (या उबलने) की ऊर्जा और तापमान में सबसे महत्वपूर्ण योगदान देते हैं। वैन डेर वाल्स ओरिएंटेशन इंटरैक्शन, वैन डेर वाल्स इंडक्शन इंटरैक्शन और के साथ अवशोषण और सोखना धूल उपचार सुविधाओं में उपयोग किया जाता है, इसलिए अत्यधिक ध्रुवीय सामग्री लगभग हमेशा धूल उपचार सुविधाओं में अवशोषक और सोखने के रूप में उपयोग की जाती है।

वैन डेर वाल्स प्रेरक बातचीत

(डेबाई प्रभाव)

स्थायी द्विध्रुव आघूर्ण वाला एक अणु दूसरे अणु, गैर-ध्रुवीय या ध्रुवीय, में तथाकथित प्रेरित द्विध्रुव आघूर्ण प्रेरित करता है। विद्युत क्षेत्र की ताकत E से प्रेरित द्विध्रुव क्षण  ind का परिमाण निम्नलिखित श्रृंखला द्वारा दर्शाया जा सकता है:  ind = E+E 2 +। कम-शक्ति वाले विद्युत क्षेत्रों के लिए, पहले को छोड़कर श्रृंखला के सभी शब्दों की उपेक्षा की जा सकती है; यह सन्निकटन प्रेरक रूप से परस्पर क्रिया करने वाले द्विध्रुवों की एक जोड़ी के लिए किया जा सकता है।  ind = E, जहां  अणु की ध्रुवीकरण क्षमता है। प्रेरित द्विध्रुव क्षण की दिशा स्थायी द्विध्रुव की विद्युत क्षेत्र शक्ति रेखाओं के समान होती है जो ध्रुवीकरण योग्य अणु या मूलक में प्रेरित द्विध्रुव क्षण की ध्रुवीकरण योग्य अणु (या क्रमशः मूलक) के स्थान पर उपस्थिति का कारण बनती है। एक अणु (कट्टरपंथी, जटिल आयन) के स्थायी द्विध्रुव और दूसरे अणु (या सामान्य रूप से परमाणुओं के समूह) के प्रेरित द्विध्रुव की परस्पर क्रिया दो अणुओं की प्रणाली की संभावित ऊर्जा को कम करती है और प्रणाली को मजबूत करती है।

यदि हम इस बात को ध्यान में रखते हैं कि प्रेरित द्विध्रुवीय क्षण को प्रेरित करने वाले अणु में स्वयं ध्रुवीकरण होता है, तो गणना निम्न सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:

(3.6);

प्रेरक अंतःक्रिया की ऊर्जा, ओरिएंटेशनल अंतःक्रिया की तरह, दूरी की छठी शक्ति के अनुपात में घटती है, लेकिन आगमनात्मक अंतःक्रिया तापमान पर निर्भर नहीं करती है। उत्तरार्द्ध इस तथ्य के कारण है कि प्रेरित द्विध्रुव क्षण का अभिविन्यास मनमाना नहीं हो सकता है; यह अंतरिक्ष में प्रेरित द्विध्रुव की दिशा और स्थिति से विशिष्ट रूप से निर्धारित होता है।

ऊर्जा मूल्य अणुओं की ध्रुवीकरण क्षमता जितनी अधिक होगी, प्रेरक अंतःक्रिया यू इंड उतनी ही महत्वपूर्ण होगी। प्रेरक अंतःक्रिया देखी जाती है: महान गैस हाइड्रेट्स के निर्माण के दौरान, ध्रुवीय पदार्थों के समाधान में, गैर-ध्रुवीय सॉल्वैंट्स में (उदाहरण के लिए, कार्बन टेट्राक्लोराइड में एसीटोन), आदि, लेकिन केवल महत्वपूर्ण ध्रुवीकरण वाले अणुओं के लिए महत्वपूर्ण है; इनमें मुख्य रूप से संयुग्मित बंधन वाले अणु शामिल हैं।

आगमनात्मक अंतःक्रिया योगात्मक नहीं है। यह स्पष्ट हो जाता है यदि हम दो सममित रूप से स्थित द्विध्रुवों के क्षेत्र में एक गैर-ध्रुवीय कण पर विचार करते हैं। उनमें से प्रत्येक, अपने दम पर कार्य करते हुए, एक प्रेरण प्रभाव का कारण बनेगा, लेकिन उनकी संयुक्त कार्रवाई पारस्परिक रूप से संतुलित है, जिसके परिणामस्वरूप परिणामस्वरूप, एक गैर-ध्रुवीय कण का द्विध्रुवीय क्षण प्रेरित नहीं होता है, और इसलिए विचाराधीन मामले में प्रणाली की ऊर्जा प्रेरक अंतःक्रिया द्वारा कम नहीं होती है।

आसानी से ध्रुवीकरण योग्य अणुओं की प्रचुरता न होने और आगमनात्मक अंतःक्रियाओं की गैर-योगात्मकता के कारण, केज़ोम प्रभाव (ओरिएंटेशनल इंटरैक्शन) और लंदन प्रभाव की तुलना में डेबी प्रभाव कभी भी प्रभावी नहीं होता है।

वैन डेर वाल्स फैलाव इंटरैक्शन

(लंदन प्रभाव)

हालाँकि, ऐसे अणु भी हैं जिनमें न केवल विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण होता है, बल्कि उच्चतर क्रम के विद्युत आघूर्ण भी होते हैं; ये गोलाकार रूप से सममित अणु हैं, मुख्य रूप से आदर्श गैसों के अणु। हालाँकि, ठंडा होने पर उत्कृष्ट गैसें भी द्रवीभूत हो जाती हैं, और आगे ठंडा होने पर (हीलियम - केवल वायुमंडलीय दबाव की तुलना में बढ़े हुए दबाव में) क्रिस्टलीकृत हो जाती हैं। आदर्श गैसों के संघनन की ओर ले जाने वाले बलों को फैलाव वैन डेर वाल्स बल कहा जाता है। वैन डेर वाल्स फैलाव अंतःक्रियाएं, बिना किसी अपवाद के, अन्य सभी अणुओं के बीच अंतःक्रिया में एक बड़ी भूमिका निभाती हैं।

दो अणुओं की प्रणाली के लिए श्रोडिंगर समीकरण को गड़बड़ी विधि द्वारा हल करना इलेक्ट्रोस्टैटिक, आगमनात्मक और फैलाव इंटरैक्शन के अस्तित्व को इंगित करता है। इनमें से प्रत्येक प्रभाव की एक सख्त क्वांटम यांत्रिक परिभाषा है, लेकिन यदि अभिविन्यास और प्रेरण प्रभाव को इलेक्ट्रोस्टैटिक्स की अवधारणाओं के आधार पर भी समझा जा सकता है , तो फैलाव अंतःक्रिया केवल क्वांटम यांत्रिकी के आधार पर समझाई जा सकती है।

दो उत्कृष्ट गैस परमाणुओं के बीच फैलाव अंतःक्रिया का एक मोटा मॉडल विचार परमाणु नाभिक के प्रोटॉन और नाभिक के चारों ओर घूमने वाले इलेक्ट्रॉनों को परमाणु के केंद्र के चारों ओर घूमने वाले तात्कालिक विद्युत द्विध्रुवों के सकारात्मक और नकारात्मक ध्रुवों के रूप में मानकर बनाया जा सकता है। .

चूँकि इन द्विध्रुवों की दिशा आवृत्ति 10 15 चक्र प्रति सेकंड के साथ बदलती रहती है, जिसके परिणामस्वरूप परमाणु में स्थिर दिशा का द्विध्रुव आघूर्ण नहीं होता है, औसतन समय के साथ इसका द्विध्रुव आघूर्ण शून्य होता है। हालाँकि, जब दो परमाणु मिलते हैं, तो उनके तात्कालिक द्विध्रुव क्षण एक-दूसरे के सापेक्ष उन्मुख होते हैं, और उनकी दिशाएँ "समय के साथ" बदल जाती हैं। परमाणुओं (या इलेक्ट्रॉन-असर आयनों) के तात्कालिक द्विध्रुवीय क्षणों की दिशाओं के बीच यह सहसंबंध प्रणाली की संभावित ऊर्जा को फैलाव अंतःक्रिया ऊर्जा (या लंदन प्रभाव की परिमाण) नामक मात्रा से कम कर देता है।

लंदन प्रभाव का सार यह है कि परमाणुओं और अणुओं में इलेक्ट्रॉनों की तुलना नाभिक के चारों ओर कंपन करने वाले कणों - ऑसिलेटर्स से की जा सकती है। आधुनिक क्वांटम यांत्रिक अवधारणाओं के अनुसार, कोई भी थरथरानवाला, पूर्ण शून्य तापमान पर भी, ऊर्जा =h 0/2  के साथ तथाकथित शून्य दोलन करता है, जहां  0 थरथरानवाला दोलन आवृत्ति है।

(3.7);

कणों के एक जोड़े की फैलाव अंतःक्रिया, साथ ही ओरिएंटेशनल और आगमनात्मक अंतःक्रिया की ऊर्जा, दूरी की छठी शक्ति के व्युत्क्रमानुपाती होती है; हालाँकि, किसी तरल के वाष्पीकरण की गर्मी की अनुमानित गणना के लिए, एक सुधार कारक पेश किया जाना चाहिए जो समन्वय संख्या और अन्य कारकों को ध्यान में रखता है, अर्थात। किसी कण की उसके पर्यावरण के साथ अंतःक्रिया के पैरामीटर।

फैलाव अंतःक्रिया की एक विशेषता इसकी सार्वभौमिकता है - सभी अणुओं में गतिमान इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए बिना किसी अपवाद के सभी अणुओं के लिए फैलाव अंतःक्रिया महत्वपूर्ण है, और गैर-ध्रुवीय अणुओं के लिए लंदन प्रभाव मुख्य और व्यावहारिक रूप से वैन डेर वाल्स बलों का एकमात्र स्रोत है (यदि किसी गैर-ध्रुवीय पदार्थ का पिघला हुआ या क्रिस्टल ध्रुवीय अशुद्धियों से पर्याप्त रूप से साफ नहीं किया गया है, तो वहां आगमनात्मक अंतःक्रिया का भी प्रतिनिधित्व किया जा सकता है, लेकिन इस मामले में इसका योगदान नगण्य है)। फैलाव अंतःक्रिया अणुओं और आयनिक क्रिस्टलों में आयनों की बंधन ऊर्जा में भी एक निश्चित योगदान देती है।

अधिकांश पदार्थों के अंतर-आणविक अंतःक्रिया में फैलाव अंतःक्रियाएं एक प्रमुख भूमिका निभाती हैं। वे सेलुलर ऑर्गेनेल और झिल्लियों के हाइड्रोफोबिक गोले भी बनाते हैं। हाइड्रोफोबिक (मुख्य रूप से फैलाने वाला, और टी) के कारण इसके अलावा, आंशिक रूप से, प्रेरक बंधन - प्रोटीन की संरचना में अमीनो एसिड रेडिकल के गैर-ध्रुवीय खंड और न्यूक्लिक एसिड की संरचना में न्यूक्लियोटाइड रेडिकल, लिपिड शैल में लिपिड रेडिकल आदि। व्यवस्थित तरीके से व्यवस्थित; और समग्र रूप से अणु और अंगक में स्थिति की अनिश्चितता पैदा न करें, स्वतंत्र रूप से झुकें डरना और शरीर के कामकाज में हस्तक्षेप करना।

वान डेर वाल्स प्रतिकर्षण

(पॉली प्रभाव)

अणुओं के बीच वैन डेर वाल्स आकर्षण के लिए जिम्मेदार तीन मुख्य प्रकार की लंबी दूरी की ताकतों का वर्णन ऊपर किया गया था: लंदन, केसोम और डेबी प्रभाव। जब अणु (या उनके हिस्से) एक-दूसरे के करीब आते हैं, तो उपर्युक्त लंबी दूरी की ताकतों के साथ, अणुओं (या अणुओं के हिस्सों) के इलेक्ट्रॉन बादलों के ओवरलैप होने पर उत्पन्न होने वाली छोटी दूरी की ताकतें भी ध्यान देने योग्य हो जाती हैं। बड़ी दूरी पर, ये बल महत्वहीन हैं, क्योंकि परमाणु नाभिक से लगभग 3 Å की दूरी पर इलेक्ट्रॉन घनत्व पहले से ही लगभग शून्य हो जाता है।

इलेक्ट्रॉन बादलों के ओवरलैप होने से दो प्रकार के परिणाम हो सकते हैं: यदि कणों में पूरी तरह से खाली या निचले मुक्त आणविक कक्षाएँ हैं, तो दाता-स्वीकर्ता, समन्वय, अंतर-आणविक और अन्य रासायनिक यौगिक बन सकते हैं; एक अन्य प्रकार की कम दूरी की ताकतें - वैन डेर वाल्स प्रतिकर्षण बल जो तब उत्पन्न होते हैं जब पूरी तरह से भरे हुए परमाणु या आणविक इलेक्ट्रॉन गोले ओवरलैप होते हैं, जो पॉली सिद्धांत की अभिव्यक्ति से जुड़े होते हैं।

पाउली सिद्धांत (पाउली अपवर्जन सिद्धांत, पाउली अपवर्जन सिद्धांत) कई-इलेक्ट्रॉन प्रणालियों के व्यवहार में एक मौलिक भूमिका निभाता है। पाउली सिद्धांत के अनुसार, एक स्पिन ऑर्बिटल में चार क्वांटम संख्याओं के समान सेट के साथ दो इलेक्ट्रॉन नहीं हो सकते हैं। पाउली अपवर्जन सिद्धांत प्रकृति के बुनियादी नियमों को संदर्भित करता है और न केवल इलेक्ट्रॉनों के सबसे महत्वपूर्ण गुणों में से एक को व्यक्त करता है, बल्कि आधे-पूर्णांक स्पिन क्वांटम संख्याओं (प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, कई अन्य प्राथमिक कणों सहित) के साथ अन्य सभी सूक्ष्म कणों को भी व्यक्त करता है। जितने परमाणु नाभिक)।

वैन डेर वाल्स प्रतिकारक बल अंतर-आणविक संपर्क का सबसे महत्वपूर्ण घटक हैं। कम दूरी पर वे महत्वपूर्ण होते हैं और पास आते ही बहुत तेजी से बढ़ते हैं। अंतरआण्विक प्रतिकर्षण की ऊर्जा आमतौर पर निम्नलिखित अभिव्यक्ति द्वारा अनुमानित की जाती है:

(3.8);

ए और ρ अक्रिय गैसों के परमाणुओं और सबसे सरल एम की टक्कर के दौरान निर्धारित स्थिरांक हैं olecule



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