سطح فان دير فالس

يُعد سطح فان دير فالس تمثيلاً تجريدياً أو نموذجاً للجزيء، يوضح بشكل تقريبي أين يقع السطح الخارجي للجزيء بناءً على الحدود القصوى لأنصاف أقطار فان دير فالس للذرات الفردية. يمثل هذا السطح المنطقة التي يُعتقد أن الجزيء يتفاعل من خلالها مع الجزيئات الأخرى.

تاريخ المفهوم وتطوره

يُعرف هذا السطح أيضاً باسم غلاف فان دير فالس، وقد سُمي تيمناً بالعالم الهولندي يوهانس ديدريك فان دير فالس، وهو فيزيائي نظري وخبير في الديناميكا الحرارية. طور فان دير فالس نظرية لتقديم معادلة حالة للسوائل والغازات تأخذ في الاعتبار الحجم غير الصفري للذرات والجزيئات، بالإضافة إلى وجود قوى تجاذب عندما تتفاعل هذه الجسيمات.

تُستخدم أسطح فان دير فالس كأداة في التمثيلات التجريدية للجزيئات، سواء من خلال الحسابات اليدوية القديمة، أو النماذج الفيزيائية المصنوعة من الخشب والبلاستيك، أو حالياً عبر برمجيات الكيمياء الحاسوبية.

من الناحية العملية، كانت نماذج CPK (التي سُميت تيمناً بروبرت كوري، ولاينوس بولينج، ووالتر كولتون) هي أولى النماذج الجزيئية الفيزيائية واسعة الانتشار التي اعتمدت على أنصاف أقطار فان دير فالس، مما أتاح استخداماً تعليمياً وبحثياً واسعاً لتصور هذه الأسطح.

حجم ومساحة سطح فان دير فالس

ترتبط بمفهوم السطح أفكار حجم فان دير فالس (Vw) ومساحة سطح فان دير فالس (Aw). تُعد مساحة سطح فان دير فالس تصوراً تجريدياً لمساحة سطح الذرات أو الجزيئات بناءً على تقدير رياضي، إما عن طريق الحساب من المبادئ الأولى أو من خلال التكامل على حجم فان دير فالس المقابل.

في أبسط الحالات، بالنسبة لغاز أحادي الذرة كروي، تكون المساحة ببساطة هي مساحة سطح كرة نصف قطرها يساوي نصف قطر فان دير فالس للذرة الغازية:

حجم فان دير فالس

حجم فان دير فالس هو خاصية مرتبطة مباشرة بنصف قطر فان دير فالس، ويُعرف بأنه الحجم الذي تشغله ذرة فردية، أو في المفهوم الجماعي، جميع ذرات الجزيء. يمكن حسابه للذرات إذا كان نصف قطر فان دير فالس معروفاً، وللجزيئات إذا كانت أنصاف أقطار ذراتها والمسافات والزوايا بين الذرات معروفة.

في الحالة البسيطة لغاز أحادي الذرة، يُحسب الحجم كحجم كرة:

بالنسبة للجزيء، يكون حجم فان دير فالس هو الحجم المحصور داخل سطح فان دير فالس. ومن الملاحظ أن أحجام فان دير فالس للجزيئات تكون دائماً أصغر من مجموع أحجام فان دير فالس لذراتها المكونة، وذلك لأن المسافات بين الذرات الناتجة عن الروابط الكيميائية تكون أقل من مجموع أنصاف أقطار فان دير فالس الذرية.

طرق تحديد أنصاف الأقطار والأحجام

يمكن تحديد أنصاف أقطار وأحجام فان دير فالس من خلال عدة طرق:

• الخصائص الميكانيكية للغازات (تحديد ثابت فان دير فالس).
• النقطة الحرجة للسوائل.
• قياسات علم البلورات للمسافات بين أزواج الذرات غير المرتبطة في البلورات.
• قياسات الخصائص الكهربائية أو البصرية (مثل القطبية أو الانكسار المولي).

بما أن القياسات تُجرى على عينات عيانية (ماكروسكوبية)، يتم التعبير عن النتائج ككميات مولية، ثم يتم تقسيم هذه الأحجام على ثابت أفوجادرو للوصول إلى حجم الذرة أو الجزيء الواحد.