Van der Waalsin voima

Van der Waalsin voima viittaa molekyylien välisiin voimiin, jotka johtuvat molekyylien polarisaatiosta dipoleiksi, erityisesti Londonin voimiin, jotka johtuvat satunnaisesta elektronitiheyden vaihteluista. Voima on nimetty Johannes Diderik van der Waalsin mukaan. Van der Waalsin voimia kutsutaan myös dispersiovoimiksi. Alun perin termiä on käytetty kaikista molekyylien välisistä voimista.

Van der Waalsin voimia esiintyy kaikilla aineilla, mutta ne ovat heikkoja. Jalokaasujen koheesio selittyy van der Waalsin voimalla. Jalokaasujen matalat sulamis-, ja kiehumispisteet osoittavat miten heikkoja van der Waalsin voimat yksinään ovat: helium esimerkiksi nesteytyy vain neljä astetta absoluuttisen nollan yläpuolella eikä kiteydy lainkaan normaalipaineessa.

Atomien ja molekyylien sisäinen elektronitiheys ei ole vakaa, vaan 'lainehtii' satunnaisesti puolelta toiselle. Näin syntyy spontaaneja sähködipoleja, jotka indusoivat vastakkaisen kentän viereisiin molekyyleihin, aiheuttaen vetovoiman. Satunnaisuuden takia kaikilla aineilla on van der Waalsin voimia, joten mikään aine ei voi olla todellinen ideaalikaasu. Van der Waalsin voimat mm. pitävät nesteheliumin kasassa, ja öljyjen märkyys ja alkaanimuovien kiinteys johtuvat nimenomaan näistä voimista.

Van der Waalsin voimat ovat heikoimpia molekyylien välisistä voimista. Ne eivät pysty murtamaan vahvempia voimia, kuten esimerkiksi veden pintajännitystä. Van der Waals -koheesiovoimavoimalla sitoutunut aine ei siis sekoitu veteen, koska veden koheesiovoima (vetysidos) on vahvempi. Tästä johtuu se, miten vesi pisaroituu vahatulla pinnalla: veden oma pintajännitys on vahvempi kuin vahan van der Waals -voima. Pelkästään van der Waals -voimilla koossapysyvä aine tuntuu öljymäiseltä tai vahamaiselta ja on pehmeää.

Lainehtiminen itse johtuu epäsäännöllisen muodon entropiasta: täydellisiä pallojakaumia on vähemmän kuin epäsäännöllisiä jakaumia. Siksi on yksinkertaisesti todennäköisempää, että atomin elektronijakauma jollain hetkellä on jokin epäsäännöllisistä eikä pallomaisista mahdollisuuksista. Keskimäärin pallomainen atomi viettää suurimman osan ajasta ovaalin muotoisena, koska ovaalin pää voivat osoittaa mihin tahansa. Ovaali voi olla ovaalimainen kiertyneenä rajattoman moneen suuntaan, kun taas pallo voi olla pallomainen vain yhdellä tavalla. Van der Waalsin voimat eivät siis varsinaisesti johdu mistään muusta kuin siitä, että olisi äärimmäisen epätodennäköistä, ettei niitä olisi. Esimerkiksi alkaanimuovien (kuten polyeteeni) tapauksissa mikrotason entropiasta johtuu makrotasolla se entropian vastaiselta vaikuttava ominaisuus, että alkaanimuovit pysyvät muodossaan.