Tương tác Van-de-van-xơ (Van der Waals, Hà Lan) hay lực Van der W aals là các tương tác giữa các phân tử (và cả giữa các phân tử tồn tại độc lập), mà sự phát sinh ra chúng không kèm theo sự truyền electron giữa các nguyên tử. Lực Van der Waals rấ t yêu (cỡ vài kJ/mol) nhưng lại mang tính chất phổ biến. Nó tác dụng chẳng những giữa các phân tử khí mà còn là nguyên n h ân của sự ngưng tụ các phân tử ở trạn g th ái lỏng và trạng th ái rắn.
b) N guồn gốc
Lực Van der Waals bao gồm một sô" loại tương tác giữa các phân tử. T ất cả đều có bản chất điện. Nguồn gốc của chúng, hiện tại được giải thích bằng các hiệu ứng.
ỉ) Tương tác định hướng (tương tác lưỡmg cực -lưỡng cực)
Tương tác này xuất hiện giữa các phân tử có cực (các phân tử đã có sẵn một mômen lưỡng cực điện vĩnh cửu |i). Do chuyển động nhiệt, khi các phân tử lại gần nhau, các đầu tích điện cùng dấu của lưỡng cực (phân tử lưỡng cực) đẩy
n h a u , còn các đầu tích điện trá i dấu h ú t n h au . P h â n tử càng p h â n cực th ì tương tác địn h hưóng càng m ạnh. Ngược lại, khi n h iệ t độ tăng, chuyển động n h iệt của các p h â n tử tăng, cản trở sự p h â n bô* có t r ậ t tự của chúng, do đó hiệu ứ ng định hưống giảm. Ngoài ra, lực h ú t lẫn n h a u giũa các p h â n tử có cực sẽ giảm n h a n h khi khoảng cách giữa chúng tăng. Do đó n ăn g lượng của tương tác địn h hưóng của hai p h â n tử có m ômen lưỡng cực (p) được tín h theo hệ thức:
Eđh = - (3.28)
3r kT
tro n g đó: p - m om en lưỡng cực của các p h â n tử tương tác; k - h ằn g sô' Boltzm ann; T - n h iệ t độ Kenvil (K);
r - khoảng cách giữa h ai p h â n tử;
+ + -
Hình 27. Tương tác luững cực - lưỡng cực
2) H i ệ u ứng cảm ứng
Dưới tác dụng của điện trường của các p h ân tử có cực hoặc của các ion lân cận, nhữ ng p h ân tử không p h â n cực cũng bị p h â n cực hoá. Sự p h ân cực này gọi là sự p h â n cực hoá cảm ứng và tương tác giữa các lưỡng cực vĩnh cửu và cảm ứng trê n được gọi là hiệu ứng cảm ứng.
Tương tác cảm ứng càng m ạnh nếu mômen điện của lưỡng cực điện vĩnh cửu (phân tử phân cực) càng lổn và khả năng bị phân cực của phân tử không phân cực càng lớn. Ngược lại, hiệu ứng cảm ứng giảm nhanh khi khoảng cách giữa các phân tử tăng. Vì vậy, năng lượng tương tác cảm ứng, tức là năng lượng tương tác giữa một lưỡng cực vĩnh cửu và một lưỡng cực cảm ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng phụ thuộc vào hệ số phân cực a:
3) Hiệu ứng khuếch tán
Hai loại tương tác trên hoàn toàn không có giữa các nguyên tử khí trơ và các phân tử phân cực. Tuy vậy, khi hạ nhiệt độ hoặc tăng áp suất đến trị sô" thích hợp, các chất này vẫn chuyển được sang các trạng th ái ngưng tụ (rắn, lỏng), nghĩa là vẫn có lực tương tác giữa các phân tử. Điều đó chứng tỏ, ngoài hai hiệu ứng đã được xét ở trên, còn tồn tại một hiệu ứng th ứ ba. Hiệu ứng này chỉ có thể giải thích bằng cơ học lượng tử, được London đưa ra năm 1930.
Theo London, các nguyên tử và phân tử nói trên, xét về toàn bộ là tru n g hoà điện. Tuy vậy, các h ạt chứa trong nguyên tử, phân tử luôn luôn ở trạn g thái chuyển động, gây ra sự phân bô" điện tích bất đôi xứng trong quá trìn h chuyển động. Do đó làm xuất hiện những lưỡng cực tức thòi và sự tương tác giữa các lưỡng cực này gây ra hiệu ứng thứ ba, được gọi là hiệu ứng khuếch tán.
Năng lượng của tương tác khuếch tán được xác định một cách gần đúng bằng hệ thức:
(3 .3 0 )
'f? _ 3hv0a 2
*kt - 6 ..
4r
trong đó: v0 - tầ n số dao động tương ứng với n ă n g lượng ở điểm 0 (năng lượng ỏ điểm không của dao động, tức là năng lượng ứng vối trạ n g th á i dao động th ấp n h ất, nó b ằn g E0 = —
hv0); a - hệ sô" p h ân cực; r - khoảng cách giữa hai nguyên tử hay hai phân tử.
N hư vậy, trong trư ờ ng hợp chung, đôi với những phân tử có mômen lưỡng cực vĩnh cửu p và hệ số phân cực a, năng lượng tương tác h ú t V anderW aals toàn bộ bằng tổng các n ăn g lượng tương tác định hướng, cảm ứng và khuếch tán. Từ (3.28), (3.29), (3.30), n ă n g lượng đó bằng: hay _ 2 fi4 2 3 a 2h v 0 Ev, = - -2 -— + 2 a p 2 + --- 3KT 4 Ek = - (3.31) (3.32) với A = ——- + 2ocu +2 u 4 „ 2 3KT 3 a 2h v (l _
Từ (3.32) ta th ấ y t h ế n ă n g tương tác h ú t Van-Der-W aal tỷ lệ nghịch với luỹ th ừ a sáu của khoảng cách giữa hai nguyên tử hay p h ân tử. Do đó lực h ú t V ander W aals tỷ lệ nghịch với luỹ th ừ a bậc bảy của r.
Hiệu ứng định hưóng chỉ q u an trọng đối với nhữ ng phân tử có mômen lưỡng cực lớn, còn đối với nhữ ng p h ân tử không p h ân cực hay có mômen lưỡng cực nhỏ, hiệu ứng khuếch tá n giữ vai trò cơ bản. H iệu ứng cảm ứng thường không quan trọng và trong nhiều trường hợp có th ể bỏ qua.
Ngoài tương tác hút giữa các phân tử, còn có những tương tác đẩy tương hỗ giữa chúng, tương tác đẩy trở nên quan trọng tại những khoảng cách nhỏ. Một cách gần đúng người ta thường biểu diễn th ế năng đẩy bằng hệ thức:
E„ = - ^ (3.33)
r
trong đó B và n là những hằng số’. B - hằng sô” đẩy và n thường có giá trị bằng 12.
Năng lượng tương tác toàn phần giữa các phân tử bằng tông năng lượng h ú t và năng lượng đẩy:
A B
E = - 4 + n (3-34)
r r
H ình 28 biểu diễn sự biến thiên của th ế năng tương tác toàn phần theo khoảng cách r. Cực tiểu trên đường cong ứng với năng lượng tương tác toàn phần E0 giữa các phân tử ứng vối khoảng cách rD.
Hình 28.
Đường biểu diễn thê năng tương tác giữa
các phân tử
Ta thấy đường cong này có dạng của đường cong biểu thị sự phụ thuộc của năng lượng liên kêt ion hay cộng hoá trị vào khoảng cách giữa các h ạ t (ion hay nguyên tử), chỉ khác ở
chỗ các n ăn g lượng này lớn hơn nh iều n ăn g lượng tương tác V an der W aals và khoảng cách r„ lại nhỏ hơn n hiều khoảng cách cân bằng giữa các p h ân tử.
3.7.2. L iên k ế t h iđ ro