वैन डेर वाल्स बल

एक छत्र से वर्षा जल का प्रवाह। ड्रॉप निर्माण को नियंत्रित करने वाली बलों में से: वैन डेर वाल्स बल, सतह तनाव, सामंजस्य (रसायन विज्ञान), पठार-रेले अस्थिरता।

File:Brillenputztücher-trocken.jpg

माइक्रोफ़ाइबर कपड़ा खरोंच के बिना गंदगी को हटाने के लिए वैन डेर वाल्स बल का उपयोग करता है।

आणविक भौतिकी में, वैन डेर वाल्स बल परमाणुओं या अणुओं के बीच दूरी पर निर्भर अंतःक्रिया है। आयनिक बंधन या सहसंयोजक बंधन के विपरीत, ये आकर्षण रासायनिक बंधन के परिणामस्वरूप नहीं होते हैं; वह तुलनात्मक रूप से अशक्त हैं और इसलिए अस्तव्यस्तता के प्रति अधिक संवेदनशील हैं। परस्पर क्रिया करने वाले अणुओं के बीच लंबी दूरी पर वैन डेर वाल्स बल तेजी से विलुप्त हो जाता है।

डच भौतिक विज्ञानी जोहान्स डिडेरिक वान डेर वाल्स के नाम पर रखा गया था, वान डेर वाल्स बल सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान, संरचनात्मक जीव विज्ञान, बहुलक विज्ञान, नैनो प्रौद्योगिकी, सतह विज्ञान और संघनित पदार्थ भौतिकी जैसे विविध क्षेत्रों में मौलिक भूमिका निभाता है। इस प्रकार यह कार्बनिक रसायन विज्ञान और आणविक ठोस पदार्थों के अनेक गुणों को भी रेखांकित करता है, जिसमें रासायनिक ध्रुवीयता और गैर-ध्रुवीय मीडिया में उनकी घुलनशीलता भी सम्मिलित है।

यदि कोई अन्य बल उपस्थित नहीं है, जिससे परमाणुओं के बीच की दूरी जिस पर परमाणुओं के दूसरे के निकट आने पर बल आकर्षक के अतिरिक्त प्रतिकारक हो जाता है, वैन डेर वाल्स संपर्क दूरी कहलाती है; इस प्रकार यह घटना परमाणुओं के परमाणु कक्षक के बीच पारस्परिक प्रतिकर्षण के परिणामस्वरूप उत्पन्न होती है।

वैन डेर वाल्स बल इन्हें सामान्यतः अविलम्ब प्रेरित द्विध्रुवों के बीच लंदन प्रसार बल के संयोजन के रूप में वर्णित किया जाता है, स्थायी द्विध्रुव और प्रेरित द्विध्रुव के बीच डेबाई बल, और स्थायी आणविक द्विध्रुव क्षण के बीच कीसोम बल, जिसका घूर्णी अभिविन्यास समय के साथ गतिशील रूप से औसत होता है।

परिभाषा

वैन डेर वाल्स बलों में परमाणुओं, अणुओं के साथ-साथ अन्य अंतर-आणविक बलों के बीच आकर्षण और प्रतिकर्षण सम्मिलित हैं। इस प्रकार वह सहसंयोजक बंधन और आयनिक बंधन से भिन्न होते हैं क्योंकि वह पास के कणों के उतार-चढ़ाव वाले ध्रुवीकरण (क्वांटम गतिशीलता का परिणाम) में सहसंबंध के कारण होते हैं).

बल इलेक्ट्रॉन घनत्व में क्षणिक बदलाव के परिणामस्वरूप होता है। विशेष रूप से, इलेक्ट्रॉन घनत्व अस्थायी रूप से नाभिक के पक्ष अधिक स्थानांतरित हो सकता है। यह बदलाव क्षणिक आवेश उत्पन्न करता है जिससे पास के परमाणु आकर्षित या विकर्षित हो सकते हैं। इस प्रकार बल बहुत कम दूरी पर प्रतिकारक होता है, प्रत्येक परमाणु या अणु की संतुलन दूरी विशेषता पर शून्य तक पहुंच जाता है, और संतुलन दूरी से बड़ी दूरी के लिए आकर्षक हो जाता है। व्यक्तिगत परमाणुओं के लिए, परमाणु-विशिष्ट व्यास के आधार पर, संतुलन दूरी 0.3 एनएम और 0.5 एनएम के बीच है। जब अंतरपरमाणु दूरी 1.0 एनएम से अधिक होती है तो बल इतना सशक्त नहीं होता है कि सरलता से देखा जा सके क्योंकि यह लगभग 7वीं शक्ति (~R⁻⁷) के साथ दूरी R के कार्य के रूप में घटता है).

वैन डेर वाल्स बल अधिकांशतः सबसे अशक्त रासायनिक बलों में से होते हैं। उदाहरण के लिए, विभिन्न H₂ अणुओं में H परमाणुओं के बीच युग्मित आकर्षक वैन डेर वाल्स अंतःक्रिया ऊर्जा 0.06 kJ/mol (0.6 meV) के समान होती है और इस प्रकार विभिन्न O2 अणुओं में O परमाणुओं के बीच युग्मित आकर्षक अंतःक्रिया ऊर्जा 0.44 kJ/mol (4.6 meV) के समान होती है। इस प्रकार H₂ और O₂ आणविक तरल पदार्थों की संगत वाष्पीकरण ऊर्जा, जिसके परिणामस्वरूप आणविक तरल पदार्थों में प्रति अणु सभी वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन का योग क्रमशः 0.90 kJ/mol (9.3 meV) और 6.82 kJ/mol (70.7 meV) होता है और इस प्रकार व्यक्तिगत युग्मित अंतर-परमाणु इंटरैक्शन (सहसंयोजक बंधनों को छोड़कर) के मूल्य का लगभग ~ 15 गुना होता है।

भाग लेने वाले परमाणुओं की उच्च ध्रुवीकरण क्षमता के साथ वैन-डेर-वाल्स बांड की बल बढ़ जाता है। उदाहरण के लिए, H₂S और सल्फाइड में S परमाणुओं जैसे अधिक ध्रुवीकरण योग्य परमाणुओं के लिए युग्मित वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन ऊर्जा 1 kJ/mol (10 meV) से अधिक है, और इससे भी बड़े, अधिक ध्रुवीकरण योग्य Xe परमाणुओं के बीच युग्मित इंटरैक्शन ऊर्जा 2.35 kJ/mol है। (24.3 meV) ये वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन H₂ की तुलना में 40 गुना अधिक सशक्त हैं, जिसमें केवल एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन होता है, और वह अभी भी मानक परिस्थितियों में Xe के लिए गैस के अतिरिक्त अन्य समग्र स्थिति प्राप्त करने के लिए पर्याप्त सशक्त नहीं हैं। धातुओं में परमाणुओं के बीच परस्पर क्रिया को वैन-डेर-वाल्स अंतःक्रिया के रूप में भी प्रभावी विधि से वर्णित किया जा सकता है और इस प्रकार यह सहसंयोजक और आयनिक अंतःक्रियाओं की तुलना में बंधन शक्ति के साथ देखे गए ठोस समुच्चय अवस्था के लिए उत्तरदायी है। युग्मित वैन-डेर-वाल्स प्रकार की अंतःक्रियाओं की बल कम पिघलने वाले Pb के लिए 12 kJ/mol (120 meV) के क्रम पर और उच्च पिघलने वाले Pt के लिए 32 kJ/mol (330 meV) के क्रम पर है, जो है अत्यधिक ध्रुवीकरण योग्य मुक्त इलेक्ट्रॉन गैस की उपस्थिति के कारण Xe की तुलना में परिमाण का लगभग एक क्रम अधिक सशक्त है। तदनुसार, वैन डेर वाल्स बल अशक्त से लेकर सशक्त अंतःक्रियाओं तक हो सकते हैं, और जब इस तरह की बहुत सी अंतःक्रियाएं उपस्थित होती हैं तो अभिन्न संरचनात्मक भार का समर्थन करती हैं।

अधिक व्यापक रूप से, अंतर-आणविक बलों के अनेक संभावित योगदान हैं:

1. पाउली अपवर्जन सिद्धांत से उत्पन्न प्रतिकारक घटक जो परमाणुओं के निकट संपर्क, या अणुओं के पतन को रोकता है।
2. स्थायी आवेशों (आणविक आयनों के स्थिति में), द्विध्रुवों (व्युत्क्रम केंद्र के बिना अणुओं के स्थिति में), चौगुनी (घन से कम समरूपता वाले सभी अणु), और सामान्य रूप से स्थायी बहुध्रुवों के बीच आकर्षक या प्रतिकारक इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन या इन इंटरैक्शन में हाइड्रोजन बंध , Cation-π इंटरैक्शन या cation-pi, और Pi-स्टैकिंग (रसायन विज्ञान) या pi-स्टैकिंग इंटरैक्शन भी सम्मिलित हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन से ओरिएंटेशन-औसत योगदान को कभी-कभी विलेम हेंड्रिक कीसोम के पश्चात् कीसोम बल या कीसोम बल कहा जाता है।
3. प्रेरण (जिसे ध्रुवीकरण के रूप में भी जाना जाता है), जो अणु पर स्थायी मल्टीपोल के साथ दूसरे अणु पर प्रेरित मल्टीपोल के बीच आकर्षक इंटरैक्शन है। पीटर जे.डब्ल्यू के नाम पर इस अंतःक्रिया को कभी-कभी डेबी बल भी कहा जाता है।
4. प्रसार (सामान्यतः फ़्रिट्ज़ लंदन के पश्चात् इसे लंदन प्रसार बल का नाम दिया गया है), जो गैर-ध्रुवीय परमाणुओं सहित अणुओं की किसी भी जोड़ी के बीच आकर्षक इंटरैक्शन है, जो तात्कालिक मल्टीपोल की इंटरैक्शन से उत्पन्न होती है।

इसके द्वारा, विभिन्न पाठ वैन डेर वाल्स बल शब्द का उपयोग करते हुए इंटरैक्शन के अलग स्पेक्ट्रम को संदर्भित कर सकते हैं। सामान्यतः, योगदान (1) और (4) को वैन-डेर-वाल्स बलों के रूप में माना जाता है, (2) में वर्णित स्थायी मल्टीपोल से प्रभाव और (3) में स्थायी ध्रुवीकरण से प्रभाव को कम करता है चूँकि, कुछ ग्रंथों में वैन डेर वाल्स बल को प्रतिकर्षण सहित बलों की समग्रता के रूप में वर्णित किया गया है; इस प्रकार दूसरों का कारण सभी आकर्षक बलों से है (और फिर कभी-कभी वैन डेर वाल्स-कीसोम, वैन डेर वाल्स-डेबी और वैन डेर वाल्स-लंदन में अंतर करते हैं)।

सभी अंतरआण्विक/वैन डेर वाल्स बल एनिस्ट्रोपिक हैं (दो उत्कृष्ट गैस परमाणुओं के बीच के बलों को छोड़कर), जिसका अर्थ है कि वह अणुओं के सापेक्ष अभिविन्यास पर निर्भर करते हैं। इस प्रकार अभिविन्यास के अतिरिक्त, प्रेरण और प्रसार की इंटरैक्शन सदैव आकर्षक होती है, किन्तु अणुओं के घूमने पर इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन का संकेत बदल जाता है। अर्थात्, इलेक्ट्रोस्टैटिक बल अणुओं के पारस्परिक अभिविन्यास के आधार पर आकर्षक या प्रतिकारक हो सकता है। जब अणु थर्मल गति में होते हैं, क्योंकि वह गैस और तरल चरण में होते हैं, इस प्रकार इलेक्ट्रोस्टैटिक बल अधिक सीमा तक औसत हो जाता है क्योंकि अणु थर्मल रूप से घूमते हैं और इस प्रकार इलेक्ट्रोस्टैटिक बल के प्रतिकारक और आकर्षक दोनों भागों की जांच करते हैं। इस प्रकार यादृच्छिक थर्मल गति वैन डेर वाल्स बल के इलेक्ट्रोस्टैटिक घटक को बाधित या दूर कर सकती है किन्तु आकर्षक प्रेरण और प्रसार बलों के लिए औसत प्रभाव बहुत कम स्पष्ट होता है।

लेनार्ड-जोन्स क्षमता का उपयोग अधिकांशतः दूरी के कार्य के रूप में कुल (प्रतिकर्षण प्लस आकर्षण) वैन डेर वाल्स बल के आइसोट्रोपिक भाग के लिए अनुमानित मॉडल के रूप में किया जाता है।

वैन डेर वाल्स बल वर्णक्रमीय रेखाओं के दबाव विस्तार (वैन डेर वाल्स चौड़ीकरण) और वैन डेर वाल्स अणुओं के निर्माण के कुछ स्थितियों के लिए उत्तरदायी हैं। लंदन-वैन डेर वाल्स सेना ढांकता हुआ मीडिया के लिए कासिमिर प्रभाव से संबंधित हैं, पहला पश्चात् वाले थोक संपत्ति का सूक्ष्म विवरण है। इस प्रकार इसकी पहली विस्तृत गणना 1955 में एवगेनी मिखाइलोविच लिफ़शिट्ज़|ई द्वारा की गई थी। एम. लाइफशिट्ज़ वैन डेर वाल्स बलों का अधिक सामान्य सिद्धांत भी विकसित किया गया है।

वैन डेर वाल्स बलों की मुख्य विशेषताएं हैं:

• वे सामान्य सहसंयोजक और आयनिक बंधों से अशक्त होते हैं।
• वैन डेर वाल्स बल योगात्मक होते हैं और इन्हें संतृप्त नहीं किया जा सकता है।
• इनकी कोई दिशात्मक विशेषता नहीं होती है.
• वे सभी कम दूरी की बलें हैं और इसलिए केवल निकटतम कणों के बीच की इंटरैक्शन पर विचार करने की आवश्यकता है (सभी कणों के अतिरिक्त)। यदि अणु निकट हों तो वैन डेर वाल्स का आकर्षण अधिक होता है।
• वान डेर वाल्स बल द्विध्रुव-द्विध्रुव अन्योन्यक्रिया को छोड़कर तापमान से स्वतंत्र होते हैं।

कम आणविक भार अल्कोहल में, उनके ध्रुवीय हाइड्रॉक्सिल समूह के हाइड्रोजन-बंधन गुण अन्य अशक्त वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन पर हावी होते हैं। उच्च आणविक भार अल्कोहल में, गैर-ध्रुवीय हाइड्रोकार्बन श्रृंखला के गुण हावी होते हैं और उनकी घुलनशीलता निर्धारित करते हैं।

लंदन प्रसार बल

Main article: लंदन प्रसार बल

लंदन प्रसार बल, जिसका नाम जर्मन-अमेरिकी भौतिक विज्ञानी फ्रिट्ज़ लंदन के नाम पर रखा गया है, अशक्त अंतर-आण्विक बल हैं जो स्थायी मल्टीपोल विस्तार के बिना अणुओं में तात्कालिक मल्टीपोल के बीच इंटरैक्टिव बलों से उत्पन्न होते हैं। कार्बनिक अणुओं में और उनके बीच संपर्कों की विस्तार फैलाने वाले आकर्षण के बड़े योगदान को जन्म दे सकती है, अधिकांशतः हेटरोएटम की उपस्थिति में लंदन प्रसार बलों को 'लंदन प्रसार बल ', 'लंदन बल', या 'तात्कालिक द्विध्रुव-प्रेरित द्विध्रुव बल' के रूप में भी जाना जाता है। इस प्रकार लंदन प्रसार बलों की बल अणु की ध्रुवीकरण क्षमता के समानुपाती होती है, जो बदले में इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या और उस क्षेत्र पर निर्भर करती है जिस पर वह फैले हुए हैं। हाइड्रोकार्बन छोटे प्रसार वाले योगदान प्रदर्शित करते हैं, हेटरोएटम की उपस्थिति उनके ध्रुवीकरण के कार्य के रूप में एलडी बलों को बढ़ाती है, उदाहरण के लिए क्रम में RI>RBR>RCL>RF है। सॉल्वैंट्स की अनुपस्थिति में अशक्त ध्रुवीकरण योग्य हाइड्रोकार्बन फैलाने वाली बलों के कारण क्रिस्टल बनाते हैं; उनका ऊर्ध्वपातन (रसायन विज्ञान) प्रसारदार अंतःक्रिया का माप है।

वैन डेर वाल्स मैक्रोस्कोपिक वस्तुओं के बीच बल

इस प्रकार ज्ञात आयतन और प्रति इकाई आयतन में परमाणुओं या अणुओं की संख्या वाले मैक्रोस्कोपिक निकायों के लिए, कुल वैन डेर वाल्स बल की गणना अधिकांशतः सूक्ष्म सिद्धांत के आधार पर सभी परस्पर क्रिया करने वाले जोड़ों के योग के रूप में की जाती है। वस्तु के कुल आयतन को एकीकृत करना आवश्यक है, जिससे गणना वस्तुओं के आकार पर निर्भर हो जाती है। उदाहरण के लिए, वैन डेर वाल्स रेडी R₁ और R₂ के वृत्ताकार निकायों के बीच ऊर्जा का आदान-प्रदान करता है और स्मूथ सतहों के साथ 1937 में एच. सी. हैमेकर द्वारा अनुमानित किया गया था (परमाणुओं/अणुओं के बीच प्रसार अंतःक्रिया ऊर्जा के लिए लंदन के प्रसिद्ध 1937 समीकरण का उपयोग करना प्रारंभिक बिंदु के रूप में) द्वारा:

${\begin{aligned}&U(z;R_{1},R_{2})=-{\frac {A}{6}}\left({\frac {2R_{1}R_{2}}{z^{2}-(R_{1}+R_{2})^{2}}}+{\frac {2R_{1}R_{2}}{z^{2}-(R_{1}-R_{2})^{2}}}+\ln \left[{\frac {z^{2}-(R_{1}+R_{2})^{2}}{z^{2}-(R_{1}-R_{2})^{2}}}\right]\right)\end{aligned}}$

(1)

जहां A हैमेकर स्थिरांक है, जो स्थिरांक (~10) है⁻¹⁹ −10⁻²⁰ J) जो भौतिक गुणों पर निर्भर करता है (यह हस्तक्षेप करने वाले माध्यम के आधार पर संकेत में धनात्मक या ऋणात्मक हो सकता है), और z केंद्र से केंद्र की दूरी है; अर्थात, R₁, R₂, का योग r (सतहों के बीच की दूरी): $\ z=R_{1}+R_{2}+r$. है

स्थिर त्रिज्या (R₁ और R₂) के दो क्षेत्रों के बीच वैन डेर वाल्स बल मापदंड के रूप में माना जाता है) तब पृथक्करण का कार्य है क्योंकि किसी वस्तु पर बल संभावित ऊर्जा कार्य के व्युत्पन्न का ऋणात्मक है,$\ F_{\rm {VdW}}(z)=-{\frac {d}{dz}}U(z)$. यह प्रदान करता है: