Đọc truyện Bán kính van der Waal

Chào các bạn! Vì nhiều lý do từ nay Truyen2U chính thức đổi tên là Truyen247.Pro. Mong các bạn tiếp tục ủng hộ truy cập tên miền mới này nhé! Mãi yêu... ♥

Bán kính van der Waal

Trước Sau

Màu nền

Font chữ

Font size

Chiều cao dòng

Lực Van der Waals

Bán kính van der Waals của một nguyên tử là bán kính của một hình cầu cứng, tưởng tượng được dùng để mô hình hóa cho nguyên tử đó. Bán kính van der Waals được đo đạc từ khoảng cách giữa các cặp nguyên tử không có liên kết bên trong các tinh thể.

Bán kính van der Waals được đặt tên theo nhà bác học Johannes Diderik van der Waals, người đạt giải Nobel về Vật lí năm 1910.

Các loại khí thực không ổn định như dự đoán. Trong một số trường hợp, độ lệch có thể rất lớn. Ví dụ, các khí lí tưởng không thể có dạng lỏng và rắn, cho dù ta có làm lạnh hay nén chúng thế nào đi nữa. Vì thế, một đề xuất thay đổi định luật khí lí tưởng , đã được đưa ra. Và hữu ích, nổi tiếng nhất là phương trình trạng thái van der Waals: , với a và b là các tham số có thể điều chỉnh từ đo đạc thực nghiệm được thực thi trên các khí thực. Các giá trị này thay đổi tùy loại khí

Phương trình van der Waals cũng áp dụng cho vi mô. Các phân tử tương tác với nhau. Sự tương tác này là lực đẩy rất lớn với khoảng cách rất ngắn, trở thành lực hút với khoảng cách vừa, và biến mất khi ở khoảng cách xa. Định luật khí lí tưởng cần đúng trong trường hợp lực hút và lực đẩy được xem xét. Ví dụ, lực đẩy qua lại giữa các phân tử có tác dụng giữ các nguyên tử cách nhau ở một khoảng cách nhất định. Vì thế, một phần không gian không thuộc về phân tử. Và nó cần được loại trừ ra khỏi thể tích chứa (V), nghĩa là: (V - nb). Một hệ số khác được giới thiệu trong phương trình van der Waals là , nhằm mô tả lực hút yếu giữa các phân tử, mà nó sẽ gia tăng khi n tăng hay V giảm, và các phân tử trở có mật độ dày đặc hơn.

Mục lục

[ẩn]

1 Thể tích Van der Waals

2 Xem thêm

3 Tham khảo

4 Liên kết ngoài

[sửa] Thể tích Van der Waals

Thể tích van der Waals của một nguyên tử là thể tích của hình cầu với bán kính Van der Waals của nguyên tử đó.

Hai nguyên tử không có liên kết hóa học với nhau thì có khoảng cách ngắn nhất nối 2 tâm của chúng, và bằng với tổng của các bán kính Van der Waals của chúng. Tuy nhiên, nếu hai nguyên tử liên kết bằng liên kết hóa trị, thì khoảng cách giữa 2 tâm sẽ nhỏ hơn.

Vì thế, thể tích van der Waals của một phân tử với các liên kết hóa trị sẽ nhỏ hơn tổng của các thể tích van der Waals của các nguyên tử.

Thể tích van der Waals của một hệ thống các phân tử là bằng với tổng của các thể tích van der Waals của các phân tử thành phần.

[sửa] Xem thêm

Lực Van der Waals

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Thế năng tương tác giữa các phân tử dime agon.

Lực Van der Waals là một loại lực phân tử, sinh ra bởi sự phân cực của các phân tử thành các lưỡng cực điện.

Lực Van der Waals dễ quan sát thấy với các khí hiếm. Lực Van der Waals tham gia vào một số hiện tượng như mở rộng vạch phổ dưới áp suất (Mở rộng vạch phổ van der Waals), thay đổi phương trình trạng thái khí lý tưởng thành phương trình Van der Waals.

Lực van der Waals giúp chân của một số loài bò sát có thể bám chắc trên các bề mặt dựng đứng [1][1]. Ứng dụng lực này trên các băng dính [2] có thể làm tăng khả năng kết dính của băng [3].

[sửa] Chú thích

^ Kellar Autumn; Metin Sitti ; Yiching A. Liang; Anne M. Peattie; Wendy R. Hansen; Simon Sponberg; Thomas W. Kenny; Ronald Fearing; Jacob N. Israelachvili; Robert J. Full. Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 2002, 99, 12252-12256. doi:10.1073/pnas.192252799

Lực Van der Wals gồm lực hút và lực đẩy. 1. Lực hút Van der Wals gồm: 1.1. Lực định hướng: Các phân tử phân cực hút lẫn nhau bằng các lực ngược dấu của lưỡng cực phân tử. Nhờ vậy mà phân tử này định hướng lại với phân tử kia theo một trật tự xác định. 1.2 Lực cảm ứng: Khi phân tử không phân cực tiến phân tử phân cực thì dưới ảnh hưởng của điện trường gây ra bởi lưỡng cực, cá phân tử không phân cực bị cảm ứng điện và xuất hiện lưỡng cực cảm ứng. Sau dó các phân tử hút nhau bằng các lực ngược dấu, Lực cảm ứng càng mạnh khi phân tử phân cực có momen lưỡng cực càng lớn. 1.3. Lực khuyếch tán: Là lực hút xuất hiện nhờ các lưỡng cực tạm thời trong phân tử.

Trong phân tử, các điện tử luôn ở trạng thái chuyển động liên tục và các hạt nhân nguyên tử luôn dao động quanh vị trí cân bằng. Do vậy sự phân bố điện tích âm và dương thường xuyên bị lệch khỏi vị trí cân bằng, làm xuất hiện những lưỡng cực tạm thời trong phân tử. Lưỡng cực tạm thời luôn xuất hiện, triệt tiêu, đổi dấu... và có tác dụng cảm ứng đối vs phân tử bên cạnh. Do đó các phân tử không phân cực cũng có thể hút lẫn nhau nhờ lưỡng cực tạm thời này. Loại lực này gọi là lực khuyếch tán.

Tổng lực hút có thể biểu diễn: Uh=-a/r6 a: Hằng số phụ thuộc vào bản chất của phân tử và điều kiện thực nghiệm. R : Khoảng cách giữa các phân tử. 2.Lực đẩy Van der Wals Khi cá phân tử tiến đến gần nhau, các mây đienẹ tử bắt đầu xen phủ vào nhau thì giữa các phân tử bắt đầu xuất hiện lực đẩy. Lực đẩy tăng khi khoảng cách giữa các phân tử giảm. Lực đẩy được tính theo hệ thức: Uđ=B/rn B và n thường là hằng số, n thường bằng 12. 3. Tổng cộng lực hút và lực đẩy: Chính là lực tương tác Van der Wals, ta có: U= Uh+Uđ=-a/r6+B/rn

[sửa] Xem thêm

iên kết Van der Waals : Liên kết Van der Waals, hay hiệu ứng lưỡng cực tức thời và tương tác lưỡng cực, là một lực liên kết nội phân tử hoặc là lực nội nguyên tử gây ra một lực hút tạm thời gây ra giữa các lưỡng cực trong các phân tử không phân cực và các nguyên tử do sự phân bố bất đối xứng các electron nhờ sự di chuyển của chúng. Liên kết Van der Waals mạnh hơn cả liên kết ion và liên kết đồng hoá trị, và thường mạnh hơn liên kết hydro. Liên kết van der waals là nguyên nhân duy nhất mà các khí hiếm liên kết với nhau, và hình thức trội hơn của tương tác giữa các hình thái điện tử trung hoà với tất cả các liên kết bão hoà của chúng.

Cấu trúc của bàn chân thạch sùng

Ai cũng biết trong chuyện cổ tích nhân gian, tiền thân con thằn lằn là một phú hộ có tên Thạch Sùng. Lúc chết đi vì tiếc của nên khi biến thành thằn lằn, Thạch Sùng vẫn não nuột tặc lưỡi suốt đêm. Tuy nhiên, chuyện cổ tích của ta không giải thích vì sao thạch sùng có thể đi lộn đầu. Ở thế giới động vật, thằn lằn có biệt danh là "tay leo trèo siêu hạng", nhưng trong cuộc sống hằng ngày người ta cũng không màng thắc mắc. Có lẽ vì ở những xứ nhiệt đới như Việt Nam, thằn lằn tuy đông đúc, nhưng sinh hoạt về đêm của các cô các chú thạch sùng rất nhẹ nhàng ít gây sự chú ý, trừ những lúc các cô chú ngang nhiên phóng uế, cái "sản phẩm" vô cùng hôi hám kia rớt tọt ngay trước mặt hay không may dính vào người, rất ít khi ta chịu khó ngẩng đầu nhìn lên để quan sát và phân tích khả năng đi lại đặc biệt này.

Tại Hy Lạp hơn hai ngàn năm trước, nhà triết học Aristotle đã từng băn khoăn khi ông nhìn thấy khả năng con thằn lằn đi lại trên trần nhà hoặc cắm đầu chạy xuống rồi vòng lại cắm cổ chạy lên dọc theo một bức tường thẳng đứng một cách ung dung tự tại. Chưa kể cái tài vừa chạy vừa rẽ trái rẽ phải cơ hồ không cần giảm tốc. Cũng có lúc thạch sùng đi đứng từ tốn với cái dáng yểu điệu thục nữ dẹo tới dẹo lui tưởng chừng như muốn rớt xuống đất. Dường như không có bề mặt nào có thể ngăn cản những bước chân đi của "ông leo trèo siêu hạng". Thằn lằn có thể đi trên hầu hết bề mặt của tất cả mọi vật liệu, từ gỗ đá đến thủy tinh, từ mặt phẳng đến mặt lồi lõm, từ mặt đầy bụi đến sạch bóng, ướt đến khô, mềm đến cứng. Có phải chăng bàn chân thằn lằn có một chất keo "toàn năng" lúc dính lúc không cho sinh vật này khả năng đi lại đặc biệt mà không chịu ảnh hưởng lực hút của quả đất?

Lật bàn chân của con thằn lằn ta thấy những lá mỏng vắt ngang (Hình 1B). Dưới kính hiển vi điện tử, khi phóng đại vài trăm nghìn lần, người ta không tìm thấy chất keo gì đặc biệt cả. Nhưng người ta thấy những lá mỏng của bàn chân thằn lằn có một cấu trúc rất đặc biệt giống như bàn chải đánh răng với những cụm lông được sắp xếp với một thứ tự ngang dọc rất chính xác. Ở một độ phóng đại to hơn, người ta thấy ở đầu mỗi sợi lông tua ra những sợi lông con có hình dạng như cây chổi quét nhà (Hình 1D). Bốn bàn chân có tất cả 6,5 triệu lông con. Chiều dài của sợi lông con này là 200 nm và đường kính là 10 - 15 nm (nhỏ hơn sợi tóc 7000 lần). Đây là một cấu trúc nano thật hoàn bị của thiên nhiên được tạo thành từ một loại protein gọi là keratin. Keratin cũng là thành phần chính trong vảy rắn, mu rùa, mỏ chim.

Hình 1: (A) Con thằn lằn Tokay (gekko gecko); (B) những lá mỏng vắt ngang bàn chân nhìn từ dưới lên; (C) lá mỏng là những cụm lông có thứ tự hình bàn chải đánh răng; (D) sợi lông chính tua ra những sợi lông con có hình dạng như cây chổi quét nhà; (E) những sợi lông con và (F) cấu trúc sợi nano nhân tạo [1].

Lực hút van der Waals

Mặc dù cấu tạo bàn chân của các loại thằn lằn được biết rất rõ trong sinh học và động vật học, nhưng cơ chế bám dính vẫn còn khó nắm bắt. Gần 200 năm qua, đã có 7 cơ chế được đề nghị: bám dính do keo, sức hút (suction), ma xát, cài vào nhau (interlocking), tĩnh điện, lực mao quản và lực hút van der Waals [1]. Năm đề nghị đầu tiên không có sức thuyết phục vì bàn chân không tiết ra chất keo; cấu tạo vi mô không cho thấy dấu hiệu nào tạo ra sức hút hay lực ma xát; ngón chân không có móc nên không thể cài vào mặt nền; có thể đi trên các loại mặt bằng có hay không có tĩnh điện. Như vậy, hai khả năng còn lại là lực mao quản và lực hút van der Waals.

Tiến sĩ Kellar Autumn (Lewis & Clark College, Mỹ) giải mã được bài toán thiên nhiên hiểm hóc này. Trong một kỳ nghỉ với gia đình tại Hawaii, trong phòng một khách sạn ông bỗng nhiên thấy một con nhện thật to xuất hiện trên trần nhà, khi ông loay hoay tìm cách xử lý vị khách không mời này thì một chú thạch sùng con lặng lẽ đi tới, hai sinh vật này cùng lộn đầu giao chiến trên trần nhà. Cuối cùng, thạch sùng loại nhện ra khỏi vòng chiến, con nhện rớt xuống đất và lủi đi mất... Chiến thắng của thạch sùng là nhờ có bốn bàn chân "đứng tấn" vững vàng. Là một người có học vị về toán và sinh học, nhìn tính bám dính của bàn chân thạch sùng trong trận giao tranh ông chia sẻ nỗi băn khoăn của Aristotle hai ngàn năm trước. Khi trở lại phòng nghiên cứu, ông bắt đầu tìm hiểu về nguốc gốc tính bám dính của các ngón chân thằn lằn. Sau một loạt thí nghiệm dùng các loại mặt thích nước (hydrophilic) và ghét nước (hydrophobic) [2], ông và các cộng sự viên loại trừ khả năng lực mao quản và xác nhận rằng sự bám dính của bàn chân thằn lằn là do sức hút van der Waals. Năm 2000, Autumn tuyên bố kết quả nghiên cứu trong một bài báo với tựa đề "Adhesive force of a single gecko foot-hair" (Lực dính của một sợi lông bàn chân con thằn lằn) đăng trên tạp chí khoa học nổi tiếng Nature [3]. Bài báo lập tức mở màn cho nhiều đề án nghiên cứu tương tự liên nghành vật lý, hóa học, tự động học, robot học, sinh học, động vật học trong các viện nghiên cứu và đại học trên toàn thế giới. Qua bài báo này lần đầu tiên ông và các cộng sự viên đã phá tan những luận điểm mơ hồ về cơ chế bám dính của bàn chân thằn lằn, xác nhận và chứng minh bằng thực nghiệm sự bám dính là do lực hút van der Waals [1]. Tuy nhiên, giáo sư Andre Geim (University of Manchester, Anh) vẫn tin rằng ở thứ nguyên nano lực mao quản cũng có dự phần trong cơ chế bám dính.

Lực hút van der Waals là một lực liên phân tử (intermolecular force). Trong các phân tử, điện tử thường không phân tán đồng đều gây ra sự phân cực điện. Nếu ta hình dung phân tử như một hạt gạo thì một đầu mang điện tích dương, đầu kia điện tích âm (như cục nam châm có hai đầu nam và bắc). Trong tập hợp nhiều phân tử, đầu dương của phân tử này sẽ hút đầu âm của phân tử kế cận. Đó là lực van der Waals. Nó chi phối cấu trúc tinh thể, độ nóng chảy, độ bay hơi và sự ngưng tụ của nhiều hợp chất hóa học. Trong cuộc sống hằng ngày, ta ít thấy những thí dụ thể hiện lực hút van der Waals vì lực rất yếu. Tuy nhiên, nếu ta ép hai mảnh thủy tinh có mặt rất phẳng vào nhau, ta cần một sức để cạy rời hai mảnh thủy tinh. Sự hút vào nhau của hai mảnh thủy tinh là biểu hiện của lực van der Waals. Nếu hai mảnh thủy tinh thật phẳng thì mặt tiếp xúc càng to, lực càng mạnh hơn. Nhưng trên thực tế chúng ta không có một mặt phẳng nào "cực phẳng" ở một mức độ lý tưởng. Theo lý thuyết, lực van der Waals tỷ lệ nghịch với khoảng cách theo lũy thừa 7. Đây là lực có tầm cực ngắn (short range). Nói một cách dễ hiểu hơn, sự gia giảm của lực hút cực kỳ nhạy với khoảng cách, nếu ta đặt hai mặt phẳng xa gấp đôi thì lực giảm đi 128 lần (= 2x2x2x2x2x2x2). Sự lồi lõm ở một vài micromét (100 lần nhỏ hơn sợi tóc) tạo ra kẽ hở giữa hai mặt phẳng cũng đủ làm triệt tiêu lực van der Waals. Đó là lý do tại sao ta không nhìn thấy lực van der Waals trong sinh hoạt hằng ngày.

Tạo ra một mặt siêu phẳng là một việc bất khả thi. Nhưng nếu bề mặt được cải biến thành một bề mặt có cấu trúc sợi nano, diện tích tiếp xúc sẽ gia tăng hàng triệu hàng tỷ lần. Lực hút van der Waals cũng tăng theo diện tích tiếp xúc đưa ra khái niệm mới về sự bám dính: sự bám dính khô (dry adhesion). Ta hãy nhìn lại bàn chân thạch sùng. Hình 2 cho thấy những sợi lông con với đường kính ở thứ nguyên nano (10 - 15 nm) bám sát vào bề mặt cực kỳ hiệu quả. Kích thước 10 - 15 nm là chiều dày của 10 đến 15 phân tử. Cái "bám sát cực kỳ hiệu quả" hàm ý một hiện tượng chỉ xảy ra ở thế giới phân tử. Nhưng "sát" đến bao nhiêu thì mới thấy sự hiệu quả? Người ta biết lực hút van der Waals chỉ xuất hiện giữa hai vật thể khi được đặt "sát" ở khoảng cách nanomét. Trong trường hợp bàn chân thằn lằn, để tạo một lực bám hữu hiệu khoảng cách giữa các sợi lông con và mặt nền nhiều nhất là 2 nm, tương đương với kích thước của 2 phân tử. Trên 2 nm, lực van der Waals biến mất.

Theo sự tính toán của Autumn, nếu toàn thể 6,5 triệu sợi lông con trên bốn bàn chân bám vào mặt nền cùng một lúc thì thằn lằn có thể phình ra to bằng một chú lợn nặng 120 kg nhưng vẫn còn dính trên trần nhà! Bốn bàn chân tí hon chịu một sức nặng 120 kg phải gọi là "siêu dính". Nếu một bàn chân có diện tích 1 cm² thì lực dính trung bình là 30 kg/cm². Mặc dù lực van der Waals yếu hơn các lực khác trong liên kết hóa học (chemical bonding) như nối cộng hóa trị, nối ion, nhưng vì bề mặt tiếp xúc của cấu trúc nano trở nên cực lớn nên lực hút van der Waals tạo một sức chịu đáng kể. Trên thực tế toàn thể các sợi lông con không thể bám vào mặt nền cùng một lúc. Theo kết quả đo lường của Autumn, hai bàn chân trước của thằn lằn có thể chịu một sức nặng gần 2 kg [3]. Một cách chính xác hơn, diện tích bàn chân là 1 cm² nên lực dính do lực van der Waals là 1 kg/cm². Kinh nghiệm thường ngày cho biết nếu ta cắt 1 cm² băng keo văn phòng hay thậm chí dùng keo "super glue" gia dụng, các loại keo này không thể đạt được sức chịu 1 kg. Mặc dù con số này nhỏ hơn kết quả tính toán 30 lần (30 kg/cm²), lực dính một ngón chân cũng đủ sức treo thằn lằn lơ lửng giữa trần nhà. Ngoài ra, động tác giở chân lên đặt chân xuống của thằn lằn hay chu kỳ từ bám dính đến tách rời (không dính) xảy ra rất nhanh, 20 lần trong một giây. Nếu toàn thể các sợi lông con bàn chân bám vào mặt nền cùng lúc, e rằng bàn chân thạch sùng sẽ như đôi ủng dính bùn, làm sao có thể xoay sở để săn mồi, rượt đuổi? Phải nói cấu trúc của bàn chân thạch sùng là một sản phẩm tuyệt tác của tạo hóa được thiết kế để điều hòa sự bám dính và những động tác cơ học đến mức tối ưu.

Mặt dính nano nhân tạo

Sự khám phá và kết quả nghiên cứu của Autumn không chỉ thỏa mãn sự tò mò sinh học nhưng còn đặt ra một vấn đề thú vị cho công nghệ tự động điều khiển học. Bài báo trên tờ Nature của Autumn và các cộng sự viên đã được trích dẫn rất nhiều lần trong giới nghiên cứu về khoa học bám dính (adhesion science) vì đây là một khái niệm dính khô hoàn toàn mới lạ, mang tính đột phá và đưa đến khả năng chế tạo các công cụ dính không keo, các dụng cụ "thông minh" lúc dính lúc không tùy vào tác động. Sự bám dính khô do lực hút van der Waals khác bám dính ướt (wet adhesion) dùng chất keo thông thường. Bám dính ướt có liên quan đến sự tẩm ướt (wettability), sức căng bề mặt (surface tension) và năng lượng bề mặt của vật chất. Những vấn đề này ngoài phạm vi của bài viết nhưng đã được đề cập tỉ mỉ trong các sách giáo khoa.

Đặc tính của bám dính khô vượt ra ngoài những chi phối của định luật về "khoa hoc bề mặt" (surface science). Nó chỉ tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và thiết kế của cấu trúc bề mặt nano mà trong trường hợp của bàn chân thằn lằn là hàng triệu những sợi lông con keratin để đạt đến diện tích tiếp xúc cực đại. Điều này có nghĩa là sợi nano của mặt dính nhân tạo có thể chế tạo từ bất cứ vật liệu nào miễn sao cho bề mặt tiếp xúc đạt đến một trị số lớn nhất. Năm 2002, Autumn cùng các đồng nghiệp là giáo sư Ron Fearing và Robert Full (University of California, Berkeley, Mỹ) tạo ra một bề mặt với các loại sợi polyester hay silicon. Polyester là vật liệu polymer dùng làm vải vóc hoặc các loại chai nhựa. Trên một diện tích 1 cm2, Autumn, Fearing và Full tạo một bề mặt với 200 triệu sợi nano polyester có đường kính 700 nm (nhỏ hơn sợi tóc 100 lần) (Hình 1F). Mặc dù to hơn sợi lông con của bàn chân thằn lằn (10 -15 nm), cấu trúc nầy vẫn tạo ra một lực bám dính là 6 kg/cm2 nếu tất cả 200 triệu sợi đồng thời tác động lên mặt nền.

Năm 2003, Geim và các cộng sự viên chế tạo mặt dính với sợi polyimide (thương hiệu: Kapton) (Hình 3) [5]. Sợi có chiều dài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm). Ông dồn 100 triệu sợi trên một diện tích 1 cm2. Mặt dính này có thể chịu một sức là 1 kg. Sau đó, ông dùng 0,5 cm2 mặt dính để treo lơ lửng đồ chơi "Spiderman" nặng 40 g vào mặt thủy tinh (Hình 4). Tiếc rằng sau năm lần bám dính/ tách rời, mặt dính mất hiệu năng. Geim cho rằng nguyên nhân chính là do tính thích nước của polyimide. Polyimide hút nước trên mặt thủy tính làm giảm tính "bám sát" trên bề mặt và sau đó các sợi polyimide lại quyện vào nhau như mái tóc bị thấm nước làm mất đi bản chất nano của mặt dính. Sự thất bại của tính bền khiến Geim phải kiểm điểm lại lý tính của keratin làm nên các sợi lông bàn chân thằn lằn và ông nhận ra rằng keratin là một vật liệu sinh học ghét nước. Ông cũng nhìn nhận mặt dính của Autumn, Full và Fearing bền hơn vì polyester và silicon là các vật liệu ghét nước giống như keratin. Vì vậy, mặc dù trong việc thiết kế mặt dính không tùy vào bản chất vật liệu, nhưng để mặt dính có tính bền lâu dài hóa tính và lý tính của vật liệu phải tương tự với keratin.

Hình 3: Mặt dính nhân tạo polyimide của Geim. Sợi có chiều dài 200 µm và đường kính 0,2 µm (= 200 nm) [5].

Hình 4: Spiderman (người nhện) nặng 40 g bám vào mặt thủy tinh với mặt dính nhân tạo polyimide của Geim [5]

Gần đây, ống than nano cũng là một vật liệu thông dụng để tạo nên mặt dính không keo. Trong quá trình chế tạo ống than nano trong lò nung cao nhiệt (~1000 °C), các ống than có thể "mọc" thẳng đứng như một thân cây dài (đường kính ống khoảng 50 - 100 nm) dày đặt nhưng một khu rừng nhiệt đới (tương tự như Hình 1F). Nhóm của giáo sư Liming Dai (University of Dalton, Mỹ) đã tạo được bề mặt ống than nano và 1 cm2 của bề mặt nầy có thể chịu một sức kéo gần 3 kg (3 kg/cm2) vượt hơn khả năng của bàn chân thằn lằn là 1 kg/cm2 [6].

Khác với các loại băng keo văn phòng, vì cấu trúc sợi nano của bàn chân thằn lằn khi hai mặt bàn chân chập vào nhau, hiện tượng bám dính không xảy ra. Lý do là vì không có bề mặt tiếp xúc nên các sợi nano không bám được vào nhau. Điều này xem chừng như là một nghịch lý vì bàn chân thằn lằn vừa có thể bám, vừa không thể bám. Theo thường thức nếu không bảo quản kỷ lưỡng, băng keo có thể bám bụi làm giảm hiệu năng. Nhưng bàn chân thằn lằn thì không. Điều này có thể giải thích bằng hai lý do. Một mặt, chất keratin làm ra sợi lông bàn chân thằn lằn là một vật liệu sinh học ghét nước. Mặt khác, các sợi nano làm nên cấu trúc nano biến toàn thể bàn chân thành mặt ghét nước giống như lá sen. Đây là hiệu ứng lá sen (lotus effect). "Nước đổ lá sen (môn)" hay "Nước đổ đầu vịt" là những thành ngữ quen thuộc nói tới sự không biết nghe lời, phục thiện của những cái đầu bướng bĩnh hay những chế độ có các ông quan mặt dày. Nhưng "lá sen" hay "đầu vịt" lại là những cấu trúc nano đặc biệt cho việc "tự làm sạch" (self-cleaning) cho các loại bề mặt trong đó có bàn chân thạch sùng. Hiệu ứng này giúp thằn lằn bám dính/tách rời (attachment/ detachment) hằng triệu lần trong suốt cuộc đời của mình mà bàn chân không mảy may bám chút bụi trần lúc nào cũng nguyên vẹn như vừa được "bóc tem"! Hiệu ứng lá sen sẽ được đề cập trong một bài viết khác.

Bàn chân "lông lá" không phải chỉ có ở thằn lằn. Sau bài báo cáo khoa học đăng trên Nature của Autumn và cộng sự viên [3], bàn chân của các loại côn trùng có khả năng leo tường, bám trần như bọ hung, ruồi, nhện... và người "anh em" với thằn lằn là kỳ nhông được khám nghiệm dưới góc nhìn của vật lý nano. Dưới kính hiển vi, người ta nhận diện những sợi lông ở kích thước nano dù khác nhau về hình dạng, mật độ tùy theo loại côn trùng, động vật, nhưng cơ chế bám dính chủ yếu vẫn là lực van der Waals. Mật độ các sợi lông bàn chân dày đặc ở những động vật to như thằn lằn, kỳ nhông nhưng thưa hơn ở côn trùng. Chẳng qua, thiết kế của thiên nhiên lúc nào cũng tối ưu và hợp lý, không thừa không thiếu. Mật độ các sợi lông gia tăng theo trọng lượng vật để tạo một sức chịu tương đương.

Nhằm tạo ra sản phẩm có những ứng dụng thực tiễn cho chân robot hay các dụng cụ dính không keo, ngoài việc mô phỏng cấu trúc nano phức tạp các nhà khoa học quan sát và phân tích từng động tác và cơ chế bám dính/tách rời của bàn chân thằn lằn một cách tỉ mỉ. Với các loại keo gia dụng (pressure-sensitive adhesive), ta cần một áp lực để ép sát hai bề mặt để gia tăng lực dính. Thằn lằn không dùng sức để làm việc này. Chúng chỉ đặt nhẹ bàn chân lên rồi khẽ kéo các ngón chân song song với mặt nền để cho các sợi lông con dễ tiếp giáp lên bề mặt. Lực hút van der Waals sẽ tác động vào bàn chân. Khi muốn giơ chân lên, các ngón chân cong lại đến một góc độ thích hợp kéo các sợi lông con rời khỏi mặt nền làm triệt tiêu lực van der Waals. Tất cả những động tác xảy ra trong một chu kỳ 50 mili giây (20 lần/giây).

Mô phỏng các động tác này quả là khó khăn. Tuy nhiên, điều này không làm chùn bước tiến sĩ Kimberly Turner (University of California, Santa Barbara, Mỹ). Năm 2007, Turner đã "trồng" được các sợi nano polymer trên mặt kim loại kền. Sau đó dùng từ lực làm di động lên xuống mặt kim loại này để các sợi nano polymer tiếp giáp hoặc rời xa mặt nền tạo ra chu kỳ bám dính/tách rời. Turner đã thí nghiệm thành công nhưng vẫn chưa đạt đến con số 20 lần/giây. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Roger Quinn (Case Weatern Reserve University, Mỹ) đi xa hơn một bước là chế tạo ra một robot biết leo tường và bám trần nhà. Robot của ông và các cộng sự viên thật ra là một cái hộp nặng 87 g, chứa mô-tô nhỏ được điều khiển từ xa để quay bốn cái "chân" [7]. Mỗi chân là do bốn cái nan tạo thành. "Mặt dính thạch sùng" được gắn vào trên mỗi cái nan và con robot sẽ leo tường và đi trên trần nhà bằng những bước đi "lạch bạch".

Từ bài báo cáo của nhóm Autumn trong tạp chí Nature cho đến mặt dính di động của Turner và con robot của Quinn chỉ cần vài năm. Lực van der Waals trên bàn chân thạch sùng là một ẩn tàng của thiên nhiên như một thứ "rượu cũ" trong cái "bình cũ". Cũ là vì lực van der Waals hiện hữu từ khi vũ trụ xuất hiện và bàn chân thạch sùng không ngừng tiến hóa hàng triệu năm từ khi sinh vật có mặt trên quả địa cầu. Nhưng hai cái "cũ" này khơi dậy không ít niềm đam mê của các nhà khoa học, nhanh chóng đẩy mạnh sự tiến bộ của bộ môn nghiên cứu về "mặt dính nano không keo". Tuy nhiên, họ sẽ phải cần một thời gian rất dài để tạo ra một con robot có khả năng như "tay leo trèo siêu hạng" thạch sùng. Nhìn lại cấu trúc của bàn chân thằn lằn, ta thấy có thứ bậc cấu tạo (structural hierachy) rõ rệt, từ những lá mỏng vắt ngang ngón chân đến các cụm lông, đến sợi lông chính rồi tủa ra những sợi lông con (Hình 1). Trong quá trình bám dính/tách rời, mặt nền tác động lên những sợi lông con, rồi đến sợi lông chính, đến các cụm lông, đến mặt ngón chân, đến ngón chân... Những tác động dây chuyền này của những thành viên trong cấu tạo có thứ bậc di chuyển từ cấp độ vi mô đến cấp độ vĩ mô một cách liên tục, trơn tru và hài hòa. Đó là lý do chính tại sao thằn lằn có thể bám/rời bề mặt 20 lần/giây. Trong khi đó "mặt dính thạch sùng" nhân tạo chỉ có hai thứ bậc: các sợi nano được hình thành trên mặt đệm dẻo. Hiển nhiên, cái cấu trúc nhân tạo này vẫn còn quá thô thiển so với cấu trúc hài hòa của thiên nhiên.

Tiềm năng ứng dụng

Những kết quả thực nghiệm của bàn chân thằn lằn không chỉ ngừng ở việc nghiên cứu hàn lâm. Trong báo cáo phát minh năm 2004, Autumn, Full và Fearing đưa ra những khả năng ứng dụng của "chất dính không keo" hay là "mặt dính thạch sùng" mà các ông cho là gần như vô hạn, bao gồm nhiều lĩnh vực từ y khoa, điện tử, chân robot, đến dụng cụ thể thao và đồ chơi trẻ con. Trong một tương lai gần, người ta có thể chế tạo những cây hút bụi tí hon trang bị với "mặt dính thạch sùng" để nhặt những hạt bụi miromét trên các chip vi tính; hoặc những dụng cụ để sắp xếp và điều chỉnh các bộ phận của hệ thống điện cơ vi mô (micro-electromechanical system, MEMS). Một sản phẩm mang tính "cách mạng" phát xuất từ một cấu trúc nano được thành hình qua sự mô phỏng thiên nhiên cần thời gian để thay đổi tư duy của khách hàng, để tìm thị trường và tiếp thị. "Mặt dính" có thể thay thế băng keo và các loại keo nước. Thị trường này rất lớn nhưng doanh thu có thể rất nhỏ vì với đặc tính dùng lại nhiều lần của "mặt dính", có ai muốn trở lại mua cho những lần kế tiếp?

Lời kết

Câu chuyện về bàn chân thạch sùng chỉ là một trong nhiều thí dụ về cấu trúc nano có những hiệu ứng cực kỳ thú vị và không lường trước được. Vì không thể lường trước nên con người phải đợi hơn 2000 năm để giải toả cái băn khoăn Aristotle và 200 năm để làm sáng tỏ cơ chế bám dính không keo. Bàn chân thạch sùng cũng cho ta thấy khi vật chất bị thu nhỏ đến vài triệu, vài tỷ lần thì một đặc tính hay hiệu ứng nào đó sẽ lộ diện với số lần phóng đại tương đương. Sẽ còn hàng trăm hàng ngàn hay nhiều hơn nữa những cấu trúc nano trong thiên nhiên hiện hữu như một thách đố, ẩn tàng đâu đó để con người phát hiện và mô phỏng. Tiếc rằng, từ khi sự sống xuất hiện trên quả đất hàng triệu năm qua, vạn vật sinh sôi nảy nở rồi cuối cùng đi đến sự tuyệt diệt, đã mang theo nhiều bí ẩn chôn vùi theo một thời thái cổ xa xăm. Nhưng có một điều khiến ta phải suy ngẫm là dù cấu trúc nano của vạn vật có thiên hình vạn trạng tạo ra muôn vàn chức năng kỳ thú, dù tồn tại hay biến mất theo thời gian, chúng không thể vượt qua ngoài phạm vi của các định luật vật lý chi phối từ vật nhỏ nhất đến vật to nhất, hữu cơ hay vô cơ, ngay từ những giây phút đầu khi vũ trụ khai sinh.

Ghi chú và tài liệu tham khảo

1.K. Autumn, MRS Bulletin, 32 (June 2007) 473.

2. Một thí dụ vật liệu thích nước là thủy tinh và ghét nước là cái chảo rán có phủ lớp Teflon. Trên mặt thủy tinh, vì "thích" nước nên nước có khuynh hướng dính trên mặt. Ngược lại, Teflon "ghét" nước khiến nước co lại thành những hạt tròn lăn trên mặt Teflon.

3. K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing and R. J. Full, Nature, 405 (2000) 681.

4. B. N. J. Persson, MRS Bulletin, 32 (June 2007) 486.

5. A. K. Geim, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, K. S. Novoselov, A. A. Zhukov and S. Y. Shapoval, Nature Materials, 2 (2003) 461.

6. L. Qu and L. Dai, Adv. Mater., 19 (2007) 3844.

7. K. A. Daltorio, S. Gorb, A. Peressadko, A. D. Horchler, T. E. Wei, R. E. Ritzman and R. D. Quinn, MRS Bulletin, 32 (June 2007) 504.

Trương Văn Tân

Nguồn: http://vietsciences.free.fr/

Bán kính van der Waals được đặt tên theo nhà bác học Johannes Diderik van der Waals, người đạt giải Nobel về Vật lí năm 1910.

Searching for: ?

Lực Van der Waals là một loại lực phân tử, sinh ra bởi sự phân cực của các phân tử thành các lưỡng cực điện.

[sửa] Chú thích

[sửa] Xem thêm

Phương trình Van der Waals

Phương trình Van der Waals là phương trình trạng thái của khí thực do Johannes Diderik van der Waals đề xuất năm 1873, dựa trên hai giả thuyết:

Các phân tử khí có kích thước nhất định

Các phân tử hút nhau bằng lực có bán kính tác dụng ngắn (lực Van der Waals)

Phương trình Van der Waals của 1 mol khí thực được viết dưới dạng:

Trong đó, p là áp suất; v - thể tích; T - nhiệt độ tuyệt đối; R - hằng số khí lí tưởng; a và b là các hằng số xác định bằng thực nghiệm, đặc trưng cho kích thước và lực tương tác giữa các phân tử của từng loại khí, được gọi là các hằng số Van der Waals.

VIII.3. Phương trình trang thái của khí thực : phương trình Van der Waals :

Khi dẫn ra phương trình trạng thái của khí lý tưởng chúng ta đã coi các phân tử khí như là các chất điểm (nói cách khác các phân tử không có thể tích riêng) và chúng không tương tác với nhau. Điều này rõ ràng là không đ�ng với c�c ph�n tử của c�c kh� thực. Thực tế là các định luật thực nghiệm B�i-Mariốt, Gay-Lussac và Charles đều c� sai lệch và chỉ là các định luật gần đ�ng. Vì vậy phương trình trạng thái(VIII.1a) hoặc (VIII.1b) được dẫn ra từ các định luật trên chỉ là phương trình gần đ�ng m� tả trạng th�i của c�c chất kh� thực. Để thấy rõ điều này chúng ta hãy xét các sự kiện sau đ�y.

VIII.3.1. Các giản đồ pV :

Về mặt nguyên tắc chúng ta có thể biểu diễn mối quan hệ p-V-T bằng một mặt nào đ� trong kh�ng gian với c�c tọa độ p, V, T. Tuy nhiên thông thường người ta thường biểu diễn sự phụ thuộc trên trong không gian hai chiều vì lý do thuận tiện. Người ta sử dụng một họ các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất p theo thể tích V và mỗi đường cong đ� ứng với một nhiệt độ T cố định. Mỗi đường cong như vậy được gọi là đường cong đẳng nhiệt hay là đường đẳng nhiệt p-V.

Hình 8.2 trình bày họ các đường đẳng nhiệt của một khối kh� l� tưởng.

Như thấy rõ ở đồ thị và công thức (VIII.2) các đường đẳng nhiệt của kh� l� tưởng là các đường hypecbôn. Từ đồ thị ta c� thể đọc được thể tích V tương ứng với bất kỳ áp suất p và nhiệt độ T nào cho trước trong thang nhiệt độ đã cho ở trên đồ thị.

Hình 8.3 trình bày họ các đường đẳng nhiệt của c�c kh� thực. C�c đường đẳng nhiệt này không tuân theo phương trình của trạng thái khí lý tưởng.

Trước khi đi s�u xem x�t giản đồ pV của c�c chất kh� thực ta hãy định nghĩa kh�i niệm chuyển pha của vật chất.

Thuật ngữ pha mà chúng ta sử dụng trong vật lý ám chỉ một trạng thái cụ thể của vật chất như là trạng thái rắn, trạng thái lỏng hoặc trạng thái khí.

Ví dụ hợp chất hóa học H2O tồn tại ở pha rắn chính là băng (nước đ�), ở pha lỏng là nước còn ở pha khí là hơi nước. Mọi chất không bị phân ly ở nhiệt độ cao đều c� thể tồn tại ở ba trạng th�i (pha) nêu trên trong những điều kiện riêng về áp suất và nhiệt độø.

Một sự biến đổi từ một trạng th�i này sang một trạng thái khác được gọi là sự chuyển pha. Với một áp suất cho trước thì một sự chuyển pha chỉ xảy ra ứng với một nhiệt độ nào đ�. Th�ng thường một sự chuyển pha bao giờ cũng kèm một quá trình hấp thụ hoặc giải phóng một lượng nhiệt và một sự thay đổi về thể tích và khối lượng riêng (mật độ).

Một ví dụ quen thuộc về sự chuyển pha là hiện tượng nóng chảy của nước đ�. Khi ch�ng ta cung cấp nhiệt cho nước đ� ở 0oC ở điều kiện �p suất bình thường (áp suất khí quyển pa) thì ta thấy nhiệt độ của đ� kh�ng tăng nhưng một phần nước đ� đã tan thành nước. Chừng nào đ� chưa tan hết thì nhiệt độ vẫn giữ nguyên ở 0oC và chỉ khi nào đ� tan hết thì sau đ� nhiệt độ mới bắt đầu tăng. Qua sự m� tả trên chúng ta thấy nhiệt lượng mà ta cung cấp cho đ� kh�ng làm tăng nhiệt độ của đ� mà để làm cho nó chuyển từ pha rắn sang pha lỏng.

Bây giờ ta quay trở về các đường đẳng nhiệt Andrew ở hình 8.3. Các đồ thị pV chứng tỏ :

Ở các nhiệt độ đủ cao (T3, T4) thì đường đẳng nhiệt của kh� thực kh� giống đường đẳng nhiệt của kh� l� tưởng.

Ở các nhiệt độ thấp ( T1, T2 ) các đường đẳng nhiệt của c�c kh� thực kh�c nhiều so với c�c đường đẳng nhiệt của kh� l� tưởng. Các đường pV có đoạn nằm ngang (đoạn ab) tức là trong đoạn này áp suất không thay đổi.

Trong họ các đường đẳng nhiệt c� một đường đẳng nhiệt ứng với nhiệt độ TC, đường đẳng nhiệt này có một điểm uốn. Các đường đẳng nhiệt ứng với nhiệt độ nhỏ hơn TC đều c� c�c đoạn nằm ngang. Nhiệt độ TC được gọi là nhiệt độ tới hạn.

Chúng ta hãy xét kỹ hơn một đường đẳng nhiệt c� nhiệt độ nhỏ hơn TC, chẳng hạn đường ứng với nhiệt độ T2 . Ban đầu nếu giảm thể t�ch V thì áp suất p tăng dần lên, nhưng đến khi đạt đến đoạn nằm ngang (điểm a ở hình 8.3) thì nếu cứ tiếp tục giảm thể tích V thì áp suất không tăng nữa mà giữ nguyên cho đến khi thể t�ch V ứng với điểm b. Sau đ� nếu tiếp tục giảm thể t�ch V thì áp suất tăng rất nhanh.

Xem xét kỹ vật chất ở trạng thái áp suất không đổi trên đoạn nằm ngang ab của đường đẳng nhiệt ta thấy n� ở trạng th�i ngưng tụ từ thể hơi sang thể lỏng. Đường nằm ngang ab biểu diễn điều kiện cân bằng pha. Ở trạng thái cân bằng pha nếu tiếp tục giảm thể tích thì càng có nhiều vật chất chuyển từ pha hơi sang pha lỏng nhưng áp suất vẫn giữ nguyên không thay đổi.

Từ điểm b trở đi nếu tiếp tục giảm thể t�ch thì vì tất cả vật chất đã ở pha lỏng nên áp suất sẽ tăng rất nhanh vì chất lỏng là chất không chịu nén.

Ở những nhiệt độ thấp hơn nữa (T1) thì quá trình cũng diễn ra tương tự như ứng với nhiệt độ T2 nhưng sự ngưng tụ xảy ra ở áp suất thấp hơn và vùng thể tích ứng với sự ngưng tụ lớn hơn.

Vùng được in đậm trong hình 8.3 là vùng có sự cân bằng pha giữa lỏng và khí.

VIII.3.2. Giản đồ pha, điểm chạc ba, điểm tới hạn :

Chúng ta đã sử dụng giản đồ pV để nghiên cứu sự biểu hiện của vật chất kể cả phương trình trạng thái của nó. Một giản đồ kh�c rất c� �ch để m� tả c�c pha của vật chất và sự chuyển pha được gọi là giản đồ pha. Giản đồ pha là giản đồ với c�c trục là áp suất p và nhiệt độ T.

Hình 8.4 trình bày giản đồ pha của một chất dãn nở khi nóng chảy.

Chúng ta biết rằng mỗi pha của vật chất chỉ ổn định trong một vùng áp suất và nhiệt độ nhất định. Th�ng thường, một sự chuyển pha chỉ xảy ra dưới các điều kiện c�n bằng pha giữa hai pha và ở một áp suất cho trước thì sự chuyển pha chỉ xảy ra ở một nhiệt độ x�c định.

Giản đồ pha cho thấy một pha nào đ� của vật chất chỉ tồn tại ở một điều kiện của một tổ hợp nào đ� của �p suất và nhiệt độ. Ở trên đồ thị mỗi một điểm trong hình ứng với một giá trị áp suất p và nhiệt độ T x�c định. Tại mỗi điểm chỉ c� một pha duy nhất tồn tại trừ các điểm nằm trên các đường cong ở trong hình 8.4.

Tại các điểm nằm trên các đường cong thì hai pha có thể đồng thời tồn tại ở điều kiện c�n bằng pha. V� dụ ở hình 8.4 đường cong nóng chảy phân chia hai pha rắn và lỏng, đường cong bay hơi phân chia hai pha khí và lỏng còn đường cong thăng hoa ph�n chia hai pha rắn và khí.

Nếu ta tăng nhiệt độ của một chất mà vẫn giữ nguyên áp suất không đổi thì nó sẽ đi qua một chuỗi c�c trạng th�i được biểu diễn bằng đường nằm ngang (a) ở trong hình 8.4. Điểm n�ng chảy và điểm bay hơi của chất đ� ở điều kiện �p suất p(a) ứng với giao điểm của đường (a) với các đường nóng chảy và bay hơi.

Nếu chúng ta nén một chất mà vẫn giữ nguyên nhiệt độ kh�ng đổi v� dụ như đường (b) trong hình 8.4 thì vật chất chuyển từ pha khí (hơi) sang pha lỏng rồi từ lỏng sang rắn khi đường (b) cắt các đường cong bay hơi và nóng chảy.

Khi áp suất đủ thấp thì một sự nung nóng đẳng �p (đường nằm ngang (c) trong hình 8.4) có thể làm cho vật chất chuyển thẳng từ pha rắn sang pha khí (hơi) mà không cần qua pha lỏng. Quá trình này gọi là quá trình thăng hoa. Ví dụ ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ và áp suất bình thường) có sự thăng hoa của long não (còn gọi là băng phiến). Sự thăng hoa xuất hiện tại nhiệt độ là giao điểm của đường thẳng (c) với đường cong thăng hoa.

Trong hình 8.4 giao điểm chung của ba đường cong thăng hoa, n�ng chảy và bay hơi được gọi là điểm chạc ba. Đối với mỗi chất thì điểm chạc ba của n� là điểm duy nhất mà tại đ� tất cả ba pha có thể đồng tồn tại.

Bảng sau đ�y trình bày điểm chạc ba của một số chất :

Chất

Nhiệt độ, oK

Áp suất Pa

Hydro

Nitơ

Ôxy

Nước

CO2

13,84

63,18

54,36

273,16

216,55

0,0704.105

0,125.105

0,00152.105

0,00610.105

5,17.105

Cũng từ giản đồ pha, ta thấy rằng sự c�n bằng pha giữa hai pha lỏng và khí chỉ xảy ra khi áp suất và nhiệt độ nhỏ hơn áp suất và nhiệt độ của điểm tới hạn là điểm nằm ở đỉnh của vùng cân bằng pha giữa pha khí và lỏng. Điểm tới hạn nằm ở cuối của đường cong bay hơi. Áp suất ứng với điểm tới hạn gọi là áp suất tới hạn pc còn nhiệt độ gọi là nhiệt độ tới hạn Tc .

Từ giản đồ pha cũng thấy rõ ràng là khi nén đẳng nhiệt một chất kh� ở nhiệt độ T > Tc thì chất khí không thể ở trong pha lỏng được.

Giản đồ pha rất c� �ch khi nghiên cứu pha của vật chất trong điều kiện �p suất và nhiệt độ nhất định.

VIII.3.3. Cấu trúc và tính chất phân tử của vật chất :

Mọi vật chất quen thuộc xung quanh chúng ta đều được tạo thành từ các phân tử. Với mỗi hợp chất hóa học thì mọi phân tử đều hoàn toàn giống nhau. Các phân tử nhỏ nhất chỉ chứa có một nguyên tử và có kích thước cỡ 10-10m trong khi các phân tử lớn nhất có thể chứa tới 10.000 nguyên tử.

Trong các chất khí, các phân tử chuyển động gần như là hoàn toàn tự do còn ở trong các chất lỏng và chất rắn chúng bị liên kết với nhau bởi các lực tương tác phân tử mà về bản chất là các lực điện do c�c hạt mang điện của ph�n tử tạo ra. Lực hấp dẫn giữa c�c ph�n tử c� thể bỏ qua so với c�c lực ph�n tử.

Lực tương tác giữa hai điện t�ch điểm ( là lực đẩy nếu hai điện t�ch cùng dấu và là lực hút nếu hai điện t�ch tr�i dấu) c� độ lớn tỉ lệ với trong đ� r là khoảng cách giữa hai điện t�ch. C�c ph�n tử kh�ng phải là các điện t�ch điểm mà là những cấu trúc phức tạp bao gồm cả các điện t�ch dương và các điện t�ch �m và sự tương tác của các điện t�ch này cũng rất phức tạp. Lực tương tác phân tử trong các chất khí phụ thuộc vào khoảng cách r giữa chúng được trình bày ở hình 8.5 trong đ� gi� trị dương của lực F tương ứng với lực đẩy còn giá trị âm của F tương ứng với lực hút. Khi các phân tử ở xa nhau thì thông thường lực tương tác giữa chúng yếu và là lực hút. Khi nén một chất khí thì các phân tử của nó bị nén lại gần nhau và lực hút cũng tăng lên về giá trị. Nếu tiếp tục nén thì đến một l�c lực tương tác giữa các phân tử bằng không ứng với một khoảng cách r0 đại thể là khoảng cách giữa các phân tử trong chất lỏng và chất rắn.

Đối với các chất lỏng và chất rắn cần phải có những áp suất lớn thì mới có thể nén chúng lại. Điều này chứng tỏ rằng ở những khoảng cách chỉ hơi nhỏ hơn vị trí cân bằng r0 thì lực tương tác phân tử bây giờ trở thành lực đẩy và rất lớn.

Trong hình 8.5 cũng trình bày đường phụ thuộc của thế năng U vào khoảng cách r giữa các phân tử. Hàm U có cực tiểu tại r0 mà tại đ� lực F bằng kh�ng. Hàm thế năng c� dạng như vậy thường được gọi là hố thế năng.

Các phân tử nằm ở đ�y của hố thế năng muốn tho�t khỏi hố để trở thành các phân tử chuyển động tự do (c� khoảng c�ch r lớn) thì cần phải có thêm một năng lượng phụ bằng , trong đ� là độ s�u của hố thế năng (xem hình 8.5) .

Trong thực tế, các phân tử luôn luôn chuyển động và động năng của ch�ng tăng theo nhiệt độ. Ở những nhiệt độ rất thấp động năng trung bình của các phân tử nhỏ hơn độ s�u của hố thế năng nhiều nên các phân tử ngưng tụ ở dạng thể lỏng hoặc thể rắn với khoảng cách trung bình giữa chúng vào khoảng r0. Nhưng ở các nhiệt độ cao hơn thì động năng trung bình trở nên lớn hơn độ s�u của hố thế năng và do đ� c�c ph�n tử tho�t khỏi ảnh hưởng của lực tương tác phân tử và có thể chuyển động một c�ch tự do như các phân tử khí.

Trong các chất rắn, các phân tử dao động quanh các vị trí cố định mà các vị trí này sắp xếp một cách đều đặn để tạo thành mạng tinh thể. Dao động của c�c ph�n tử của c�c chất rắn c� thể xem gần đ�ng như các dao động điều hòa vì hàm thế năng U ở gần r0 có thể xem như có dạng parabôn (nhớ lại thế năng của dao động điều hòa có dạng U = ).

Trong các chất lỏng, khoảng cách giữa các phân tử thông thường chỉ lớn hơn một ít so với khoảng cách giữa các phân tử trong chất rắn nhưng các phân tử có mức độ chuyển động tự do lớn hơn nhiều. Các chất lỏng có cấu trúc trật tự chỉ đối với vài phân tử ở lân cận. Vì vậy, người ta nói rằng các chất lỏng có cấu trúc trật tự gần, ngược lại các chất rắn có cấu trúc trật tự xa.

Trong các chất khí thì thông thường các phân tử ở khá xa nhau do đ� lực h�t giữa ch�ng rất nhỏ. C�c ph�n tử kh� chuyển động theo c�c đường thẳng cho tới khi chúng va chạm với nhau hoặc va chạm với thành của bình chứa. Nói theo ngôn ngữ phân tử thì một chất khí lý tưởng là một chất khí mà các phân tử của nó không chịu bất kỳ một lực hút phân tử nào và do đ� không có thế năng.

VIII.3.4. Phương trình trạng thái của khí thực :

Từ giản đồ pV của kh� thực ở hình 8.3, ta nhận thấy ở những nhiệt độ thấp (T < Tc) và áp suất cao, khí thực có biểu hiện khác nhiều so với khí lý tưởng, nói cách khác các khí thực không còn tuân theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng (VIII.1). Thật vậy, trong điều kiện �p suất cao và nhiệt độ thấp thì khoảng cách giữa các phân tử là nhỏ và khi đ� sự tương tác giữa các phần tử là không thể bỏ qua được như trong trường hợp của khí lý tưởng. Do có sự tương tác đ�, dĩ nhiên phương trình trạng thái (VIII.1) không còn đ�ng nữa đối với c�c chất kh� thực. Vì vậy cần phải tìm cách bổ chính nó.

Nhà vật lý Hà Lan là Van der Waals đã tìm cách hiệu chỉnh lại phương trình trạng thái khí lý tưởng cho hợp lý với các chất khí thực và tìm ra phương trình trạng thái mang tên ông : phương trình Van der Waals.

Xuất phát từ phương trình trạng thái khí lý tưởng cho một Kmol :

pVm = RT(*)

trong đ� Vm là thể tích ứng với 1 Kmol khí (Vm = 22,4m3/Kmol).

Van der Waals thực hiện hai hiệu chỉnh sau đ�y :

Hiệu chỉnh về thể tích riêng của khí

Hiệu chỉnh về tương tác giữa các phân tử

Theo mô hình của khí lý tưởng thì các phân tử khí lý tưởng được xem như là các chất điểm và không có thể tích riêng. Các phân tử khí thực không thể được xem là các chất điểm vì chúng có thể tích riêng của mình. Trong 1cm3 khí ở điều kiện chuẩn c� vào khoảng 2,7.1019 phân tử. Đường kính của phân tử là 2,5.10-8cm do đ� thể t�ch riêng của các phân tử là 8.10-24cm3´ 2,7.10192.10-4cm3. Khi áp suất là 2500 atm thì thể tích riêng của các phân tử bằng thể tích của chất khí. Qua ước lượng trên ,rõ ràng trong điều kiện �p suất lớn kh�ng thể bỏ qua thể t�ch riêng của các phân tử.

Giả sử nếu ta gọi b là thể tích riêng của các phân tử trong 1 Kmol thì bây giờ Vm trong (*) phải được thay thế bởi (Vm - b).

Vậy sau hiệu chỉnh thứ nhất thì phương trình trạng thái có dạng :

p(Vm - b) = RT

hay p = (**)

Rõ ràng, ta không thể nén chất khí sao cho thể tích của nó nhỏ hơn hoặc bằng b vì khi Vm = b thì p = ¥ .

Hiệu chỉnh thứ hai liên quan đến sự tương tác của các phân tử khí. Trong các chất khí thực các phân tử khí hút nhau. Do sự tồn tại của lực hút phân tử (gọi là lực Van der Waals. Lưu ý lực hấp dẫn giữa các phân tử rất nhỏ so với lực hút Van der Waals nên có thể bỏ qua) nên áp suất khí lên thành bình phải nhỏ đi do c�c ph�n tử kh�ng thể chuyển động hoàn toàn tự do mà bị ràng buộc bởi lực hút của các phân tử xung quanh nó. Lực hút này tỉ lệ với mật độ ph�n tử (). Mặt khác , áp suất lên thành bình lại tỉ lệ với mật độ ph�n tử vì vậy lực tác dụng của các phân tử lên thành bình tỉ lệ nghịch với ()2.

Do lực hút phân tử mà áp suất chất khí gây ra ở thành bình giảm đi một lượng là pi = trong đ� a là một hằng số.

Từ (**) ta phải thay áp suất khí :

p = - pi => p = -

hay (p + ) =

Vậy ta có phương trình Van der Waals viết cho một kmol khí là :

(p + )(Vm - b) = RT (VIII.5a)

Đối với một khối lượng khí M bất kỳ (ứng với thể tích V) thì phương trình Van der Waals có dạng :

()() = RT (VIII.5b)

Để � rằng () = n trong đ� n là khối lượng khí mà ta xét tính theo đơn vị Kmol thì (VIII.5b) có thể viết lại dưới dạng :

()(V � nb) = RT (VIII.5c)

Hình 8.6 trình bày các đường đẳng nhiệt Van der Waals theo c�ng thức (VIII.5c) ứng với c�c nhiệt độ kh�c nhau.

Nếu so sánh các đường đẳng nhiệt Van der Waals với c�c đường đẳng nhiệt của c�c kh� thực thu được từ thực nghiệm ( hình 8.3) ta thấy chúng cũng gần giống nhau thể hiện ở các điểm sau đ�y :

Các đường đẳng nhiệt Van der Waals cũng cho thấy trong họ c�c đường cong cũng có một đường ứng với nhiệt độ tới hạn TCmà nếu T > TC thì chất khí chỉ có thể tồn tại ở pha khí mà không có pha lỏng dù ta có nén chất khí với áp suất lớn đến đ�u. C�c đường này khá giống với các đường đẳng nhiệt của kh� l� tưởng.

Với những nhiệt độ T < TC thì tồn tại những áp suất và thể tích mà tại đ� c� sự tồn tại song song của hai pha lỏng và khí ở trạng thái cân bằng pha.

Sự khác biệt giữa các đường đẳng nhiệt Van der Waals so với c�c đường đẳng nhiệt thực nghiệm là đoạn bc kh�ng nằm ngang. Ta c� thể chia đoạn bc thành hai đoạn bb� và cc�.

Đoạn bb� ứng với trạng th�i hơi chậm ngưng (hay còn gọi là trạng thái hơi quá bão hòa). Đoạn cc� ứng với trạng th�i lỏng chậm s�i.

Các trạng thái chậm ngưng và chậm sôi là các trạng thái cân bằng giả bền. Chẳng hạn nếu ta làm sạch chất lỏng và thành bình, triệt hết khí thì chất lỏng vẫn không sôi khi chất lỏng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ s�i của n�. Nếu b�y giờ ta thả vào chất lỏng một hạt bụi hay các vật nhỏ xốp thì chất lỏng sẽ sôi ngay.

Ở tầng trên của khí quyển thường có những khối lớn của hơi quá bão hòa, vì vậy nếu có các hạt bụi tích điện rơi vào đ� thì hơi nước sẽ ngưng tụ thành mây và sau đ� biến thành mưa.

Tóm lại, đối với c�c chất kh� thực thì phương trình trạng thái của chúng là phương trình Van der Waals (VIII.5) thay vì phương trình trạng thái (VIII.1) của khí lý tưởng. Tuy nhiên như chúng ta đã từng nói, ở điều kiện �p suất và nhiệt độ thường nhiều chất khí thực biểu hiện rất giống với khí lý tưởng nên trong chương này chúng ta vẫn áp dụng phương trình trạng thái (VIII.1) của khí lý tưởng cho các chất khí. Chúng ta chỉ sử dụng phương trình Van der Waals trong trường hợp cần độ ch�nh x�c cao hoặc trong điều kiện �p suất rất lớn và nhiệt độ thấp khi c�c chất kh� kh�ng còn tuân theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng.

LIÊN KẾT HÓA HỌC

1. Liên kết Van Der Waals.

a. Định nghĩa: Giữa các phân tử, cho dù đã bão hòa hóa trị, luôn luôn tồn tại một tương tác tĩnh điện yếu được gọi là lien kết Van Der Waals.

b. Bản chất của liên kết Van Der Waals gồm 3 tương tác chính.

- Tương tác định hướng (thường trực): xuất hiện giữa các phân tử phân cực. các phân tử phân cực sẽ hút lẫn nhau bằng các cực trái dấu của các phân tử này. Tương tác này làm cho các phân tử sắp xếp xác định với nhau.

- Tương tác cảm ứng (tạm thời): xuất hiện giữa các phân tử có cực và không có cực. phân tử có cực sẽ làm phân cực tạm thời các phân tử không phân cực và tạo lực hút lẫn nhau giữa các cực trái dấu của 2 phân tử này.

- Tương tác khuếch tán (liên tục): xuất hiện nhờ lưỡng cực tạm thời giữa các phân tử dù có cực hay không. Các lưỡng cực tạm thời luôn xuất hiện, biến mất và tạo ra tương tác cảm ứng khiến cho các phân tử hút lẫn nhau.

c. Độ mạnh của liên kết van der waals

- Tương tác khuếch tán giữ vai trò quan trọng đối với mọi phân tử và càng mạnh khi thể tích V của phân tử càng lớn, hay nói cách khác khi khối lượng phân tử m càng cao.

- Tương tác định hướng giữ vai trò quyết định khi phân tử phân cực và càng mạnh khi phân tử phân cực càng mạnh.

- Tương tác cảm ứng thường có cường độ rất yếu.

- Một nữa khoảng cách cân bằng ngắn nhất giữa 2 phân tử này được gọi là bán kính Vam Der Waals của phân tử.

d. Tính chất của liên kết Van Der Waals.

- Tính bất bão hòa tương tác Van Der Waals là một tương tác yeeuscos năng lượng liên kết yếu <40kJ/mol (liên kết hidro H…O khoảng (23kJ/mol(từ 8-40kJ/mol), liên kết O-H khoảng 470kJ/mol, liên kết C-C khoảng 348kJ/mol).

- Lực liên kết giảm nhanh khi khoảng cách giữa các phân tử tăng lên

e. Liên kết Van Der Waals dùng để giải thích.

- Hiện tượng hóa lỏng đông đặc của các khí trơ, và các hợp chất bão hòa hóa trị.

- Hiện tượng hấp thụ và hập phụ của các chất lỏng và chất khí…

D. NOTE

Lực Van der Waals là một loại lực phân tử, sinh ra bởi sự phân cực của các phân tử thành các lưỡng cực điện.

Lực van der Waals giúp chân của một số loài bò sát có thể bám chắc trên các bề mặt dựng đứng . Ứng dụng lực này trên các băng dính có thể làm tăng khả năng kết dính của băng

*-------------

Bán kính van der Waals

Nguyên tố

bán kính (Å)

Hydrogen

1.20

Carbon

1.7

Nitrogen

1.55

Oxygen

1.52

Fluorine

1.35

Phốtpho

1.9

Lưu huỳnh (S)

1.85

Clo (Cl)

1.8

Đồng (Cu)

1.4

Bán kính van der Waals được đặt tên theo nhà bác học Johannes Diderik van der Waals, người đạt giải Nobel về Vật lí năm 1910.

Thể tích Van der Waals

Thể tích van der Waals của một nguyên tử là thể tích của hình cầu với bán kính Van der Waals của nguyên tử đó.

Vì thế, thể tích van der Waals của một phân tử với các liên kết hóa trị sẽ nhỏ hơn tổng của các thể tích van der Waals của các nguyên tử.

Thể tích van der Waals của một hệ thống các phân tử là bằng với tổng của các thể tích van der Waals của các phân tử thành phần.

Xem thêm

1,Ảnh hưởng của liên kết H đến nhiệt độ sôi :

-Liên kết giúp các phân tử ràng buộc với nhâu chặt chẽ hơn , nên cần nhiệt độ sôi cao hơn trong trương hợp ko tạo dc liên kết H của butan Và ancol etylic

2,Lực van der waals:

-Định nghĩa : lực hút van der waals là lực hút tĩnh điện giữa các phân tử do sự phân cực tam thời trong phân tử

-Phân loại

+ Lực định hướng : xuất hiện trong các phân tử có cực như dẫn xuất halogen

+ Lực khuếch tán : các phân tử ko cực

*Lực hút van der waals cũng thuộc loại lực tương tác yếu , ảnh hưởng dến nhiệt độ sôi tương tự như lực H có liên kết van der waals thì nhiệt độ sôi cao hơn .

3,Mômen lưỡng cực :

-Xuất hiện khi có sự phân bố điện tích ko đều , có trọng tâm tích điện dương Và âm ko trùng nhau , nên xuất hiện lưỡng cực sẽ có nhiệt độ sôi cao ,tan tôt trong các dung môi phân cực

VD: aminoacid hoặc muối amoniclorua…

4,Lực phân tán london:

-Nói tóm tắt về sự ảnh hưởng của lực này lên nhiệt độ sôi : Lực này xuất hiện khi mômen lưỡng cực tạm thời gây ra do cảm ứng tù các phân tử kế cận khi chúng tiến đến gần nhau

+ Diện tích bề mặt càng lớn phân tử càng lớn thì lực hút càng mạnh lực london càn mạnh ==> nhiệt độ sôi thấp

*Lực phân tán london giải thích cho chúng ta hiện tượng các đồng phân có nhiệt độ sôi khac nhâu ( do đồng phân nào có mạnh dài hơn ->lực london mạnh hơn à nhiệt độ sôi cao hơn )

Bạn đang đọc truyện trên: Truyen247.Pro

Trước Sau

Tags: