Van der Waals Kuvvetleri Nedir? Türleri ve Maddelere Etkisi
Van der Waals kuvvetleri, atom ve moleküller arasında görülen elektrostatik çekimlerin genel adıdır. Elektron dağılımındaki geçici değişimler, kalıcı dipoller ve indüklenen dipoller bu etkileşimleri oluşturur. Kuvvetlerin gücü; tanecik büyüklüğü, elektron sayısı, polarizabilite ve temas yüzeyi arttıkça değişebilir.
Bu yazıda (10)
- ›Van der Waals kuvvetlerinin tanımı ve moleküller arası çekimlerdeki yeri
- ›Geçici ve kalıcı dipollerin oluşumu
- ›London dağılım kuvvetleri
- ›London kuvvetlerinin taneciklere göre değişmesi
- ›Dipol-dipol ve dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri
- ›Polar taneciğin apolar taneciği etkilemesi
- ›Van der Waals kuvvetlerinin gücünü etkileyen faktörler
- ›Kaynama noktası ve fiziksel hâlle ilişkisi
- ›Molekül geometrisi ve polar olup olmama
- ›Van der Waals kuvvetleri ile hidrojen bağı arasındaki fark
Van der Waals kuvvetleri, moleküller arası çekimlerin önemli bir bölümünü oluşturan zayıf etkileşimlerdir. Kovalent bağ gibi bir molekülün içindeki atomları bir arada tutmaz; farklı atom, molekül veya taneciklerin birbirini çekmesini sağlar. Bu nedenle bir maddenin kaynama noktası, fiziksel hâli ve uçuculuğu gibi özellikleri üzerinde etkili olur.
Van der Waals kuvvetlerinin tanımı ve moleküller arası çekimlerdeki yeri
Van der Waals kuvvetleri, taneciklerin yük dağılımlarından kaynaklanan ve tanecikler arasında oluşan elektrostatik çekimlerin genel adıdır. Bu kuvvetler molekül içi bağlardan farklıdır: Molekül içi bağlar aynı molekülü oluşturan atomlar arasındadır; van der Waals kuvvetleri ise ayrı moleküller veya atomlar arasındaki çekimi ifade eder. Lise düzeyinde bu başlık altında London dağılım kuvvetleri, dipol-dipol etkileşimleri ve dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri incelenir.
Geçici ve kalıcı dipollerin oluşumu
Dipol, bir taneciğin yükünün tamamen eşit dağılmaması ve taneciğin bir ucunun kısmen negatif, diğer ucunun kısmen pozitif özellik göstermesidir. Elektronlar sürekli hareket ettiğinden, apolar bir atom veya molekülde elektronlar kısa bir süre için bir tarafa daha fazla toplanabilir. Böylece geçici dipol oluşur. Bu geçici dipol, yakınındaki taneciğin elektron dağılımını bozarak onda indüklenmiş dipol meydana getirebilir. Polar moleküllerde ise elektronegatiflik farkı ve molekülün şekli nedeniyle yük dağılımı kalıcı olarak eşit değildir; bu durumda kalıcı dipolden söz edilir. Kalıcı dipoller birbirlerini uygun yönelimle çekebilir, geçici dipoller ise çok kısa süreli olmalarına rağmen yakın tanecikler arasında çekim oluşturabilir.
London dağılım kuvvetleri
London dağılım kuvvetleri, van der Waals kuvvetlerinin tüm atom ve moleküllerde görülebilen türüdür. Özellikle apolar tanecikler arasındaki temel moleküller arası çekimdir. Elektronların tanecik içindeki konumu sürekli değiştiği için elektronlar her an tamamen simetrik dağılmayabilir. Bir andaki bu asimetrik dağılım, taneciğin bir tarafını kısmen negatif, diğer tarafını kısmen pozitif hâle getirerek geçici bir dipol oluşturur. Bu geçici dipol, komşu taneciğin elektron bulutunu etkiler ve onda indüklenmiş dipol meydana getirir. Karşıt kısmi yüklerin birbirini çekmesi London kuvvetini oluşturur. Etkileşim ancak tanecikler birbirine yeterince yaklaştığında belirginleşir; uzaklık arttıkça çekim hızla zayıflar.
London kuvvetlerinin taneciklere göre değişmesi
London kuvvetleri zayıf tek tek çekimler olsa da çok sayıda tanecik bir araya geldiğinde maddenin özelliklerini etkileyebilir. Tanecik büyüdükçe ve elektron sayısı arttıkça elektron bulutu genellikle daha kolay şekil değiştirir. Bu özellik polarizabilite olarak adlandırılır. Polarizabilitesi yüksek taneciklerde geçici dipol oluşturmak daha kolay olduğundan London kuvvetleri de daha güçlü olur. Örneğin halojen molekülleri karşılaştırıldığında F2 ve Cl2 oda sıcaklığında gaz, Br2 sıvı ve I2 katıdır. Bu durum, daha büyük ve daha ağır taneciklerde güçlenen çekimlerin taneciklerin bir arada tutulmasını kolaylaştırmasına örnek oluşturur. London kuvvetlerinin kuantum mekaniğiyle açıklanan ayrıntılı yönleri ayrı bir konunun kapsamındadır.
Dipol-dipol ve dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri
Dipol-dipol etkileşimi, kalıcı dipole sahip polar moleküller arasındaki çekimdir. Polar bir molekülün kısmen pozitif ucu, başka bir polar molekülün kısmen negatif ucuna yöneldiğinde tanecikler arasında elektrostatik çekim oluşur. Moleküllerin yönelimi ve şekli, hangi uçların birbirine yaklaşacağını etkiler. Bu nedenle polar moleküller arasında yalnızca London kuvvetleri değil, kalıcı yük dağılımlarından kaynaklanan dipol-dipol çekimleri de bulunur.
Polar taneciğin apolar taneciği etkilemesi
Dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi, kalıcı dipole sahip bir taneciğin apolar bir taneciğin elektron dağılımını bozmasıyla oluşur. Polar taneciğin kısmen yüklü bir ucu yaklaştığında apolar taneciğin elektronları itilebilir veya kendine çekilebilir. Böylece apolar tanecikte geçici bir yük ayrımı meydana gelir ve iki tanecik arasında çekim oluşur. Örneğin polar bir molekül ile apolar bir atom birbirine yaklaştığında, polar molekülün elektriksel etkisi atomun elektron bulutunu geçici olarak asimetrik hâle getirebilir. Bu etkileşimde bir tanecik kalıcı dipole sahipken diğerindeki dipol yaklaşmanın etkisiyle sonradan oluşur. Nicel enerji ve denge hesaplamaları ise ayrı bir başlıkta ele alınır.
Van der Waals kuvvetlerinin gücünü etkileyen faktörler
Van der Waals kuvvetlerinin gücü öncelikle tanecikteki elektron sayısı ve taneciğin büyüklüğüyle ilişkilidir. Elektron sayısı fazla ve tanecik hacmi büyük olduğunda elektron bulutu daha kolay bozulabilir; bu da polarizabilitenin ve London çekiminin artmasına yol açar. Küçük taneciklerde elektronlar çekirdeğe daha sıkı bağlı olduğundan geçici dipol oluşturmak genellikle daha zordur. Molekülün biçimi ve taneciklerin birbirine temas eden yüzeyi de önemlidir. Uzun veya birbirine daha geniş yüzeyle yaklaşabilen moleküller daha fazla noktadan etkileşebilirken, daha toplu şekilli moleküllerde temas alanı azalabilir. Bu nedenle yalnızca molekül kütlesine bakmak her zaman yeterli değildir; elektron dağılımı, polarizabilite ve moleküllerin birbirine nasıl yaklaştığı birlikte değerlendirilmelidir.
Kaynama noktası ve fiziksel hâlle ilişkisi
Bir maddenin tanecikleri arasındaki çekim güçlendikçe tanecikleri birbirinden ayırmak için daha fazla enerji gerekir. Sıvının kaynaması sırasında tanecikler arasındaki çekimlerin önemli bir bölümü aşılır; bu nedenle moleküller arası kuvvetleri daha güçlü olan maddelerin kaynama noktası genellikle daha yüksektir. Benzer biçimde güçlü çekimler, taneciklerin bir arada kalmasını kolaylaştırarak maddenin oda sıcaklığındaki fiziksel hâlini etkileyebilir.
Molekül geometrisi ve polar olup olmama
Bir molekülün polar olup olmadığını belirlerken bağ dipollerinin yönleri ve molekül geometrisi birlikte değerlendirilir; bağ dipolleri birbirini dengeliyorsa molekül apolar, dengelenmiyorsa polar olabilir. Bu ayrımın ayrıntıları polar kovalent bağlar ve molekül geometrisi konusuyla birlikte incelenir.
Van der Waals kuvvetleri ile hidrojen bağı arasındaki fark
Hidrojen bağı, belirli atomlara bağlı hidrojen içeren polar moleküller arasında görülen daha özel ve yönlü bir çekim türüdür. Van der Waals kuvvetleri ise London, dipol-dipol ve dipol-indüklenmiş dipol gibi daha genel moleküller arası etkileşimleri kapsar.
Parfüm ve benzin gibi uçucu sıvıların kolay buharlaşması, tanecikleri arasındaki çekimlerin görece zayıf olmasıyla ilişkilidir. Halojenlerdeki fiziksel hâl farkı da tanecik büyüklüğü ve artan London kuvvetlerinin gözlenebilir bir sonucudur.
Apolar tanecikler arasında da çekim bulunduğu unutulmamalıdır: Apolar maddelerde temel etkileşim London kuvvetidir. Ayrıca tanecik büyüklüğü ve elektron sayısı arttıkça polarizabilite genellikle artar; bu nedenle yalnızca molekülün polar olup olmadığına bakmak yeterli değildir.
Sık sorulan sorular
Van der Waals kuvvetleri molekül içi bağ mıdır?
Hayır. Van der Waals kuvvetleri farklı atom veya moleküller arasındaki çekimlerdir; molekül içi bağlar ise aynı molekül içindeki atomları bir arada tutar.
London kuvvetleri hangi moleküllerde görülür?
London kuvvetleri tüm atom ve moleküllerde görülebilir. Apolar tanecikler arasındaki temel moleküller arası çekim türüdür.
Apolar moleküller birbirini nasıl çekebilir?
Elektronların anlık ve asimetrik dağılımı geçici dipol oluşturur. Bu dipol komşu tanecikte indüklenmiş dipol meydana getirerek çekim oluşturur.
Tanecik büyüklüğü arttıkça van der Waals kuvvetleri neden güçlenir?
Büyük taneciklerde elektron sayısı ve elektron bulutunun şekil değiştirebilirliği genellikle daha fazladır. Bu durum polarizabiliteyi ve geçici dipol oluşumunu artırır.
Van der Waals kuvvetleri kaynama noktasını nasıl etkiler?
Çekim güçlendikçe tanecikleri birbirinden ayırmak zorlaşır. Bu nedenle kaynama için daha fazla enerji gerekir ve kaynama noktası genellikle yükselir.
- •Chemistry — Intermolecular Forces / Dispersion Forcesopenstax.org
- •openstax.orgopenstax.org