แรงแวนเดอร์วาลส์

ในฟิสิกส์โมเลกุล แรงแวนเดอร์วาลส์ (, [fɑn dər ˈʋaːls]) เป็นอันตรกิริยาที่ขึ้นกับระยะทางระหว่างอะตอมหรือโมเลกุล แรงนี้แตกต่างจากพันธะไอออนิกและพันธะโคเวเลนต์เนื่องจากไม่ได้เป็นผลจากพันธะเคมีเชิงอิเล็กตรอน แรงแวนเดอร์วาลส์เป็นแรงอย่างอ่อนและไวต่อการรบกวน และจะหายไปอย่างรวดเร็วเมื่อโมเลกุลทั้งสองมีระยะห่างกัน

แรงแวนเดอร์วาลส์มีบทบาทสำคัญในหลายสาขาวิชา เช่น เคมีซูปราโมเลกุล ชีววิทยาเชิงโครงสร้าง วิทยาศาสตร์พอลิเมอร์ นาโนเทคโนโลยี วิทยาศาสตร์พื้นผิว และฟิสิกส์สสารควบแน่น แรงนี้ยังเป็นพื้นฐานของหลายคุณสมบัติในสารประกอบอินทรีย์และของแข็งโมเลกุล รวมถึงการละลายในตัวกลางมีขั้วและไม่มีขั้ว

เมื่อไม่มีแรงอื่นปรากฏ ระยะระหว่างอะตอมจะก่อให้เกิดแรงผลักมากกว่าแรงดึงดูด สิ่งนี้เรียกว่าระยะติดต่อฟานเดอร์วาลส์ (Van der Waals contact distance) ปรากฏการณ์นี้เกิดจากแรงผลักซึ่งกันและกันของหมอกอิเล็กตรอนของอะตอม แรงแวนเดอร์วาลส์มีต้นกำเนิดเดียวกับปรากฏการณ์คาซิมีร์ อันเป็นแรงที่เกิดจากการกระเพื่อมทางควอนตัมในสนามของแรง

แรงแวนเดอร์วาลส์ตั้งชื่อตามโยฮันเนส ดิเดริก ฟาน เดอ วาลส์ นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ มักถูกอธิบายว่าเป็นกลุ่มร่วมของแรงล็อนด็อน (ระหว่างขั้วเหนี่ยวนำชั่วคราว) แรงเดอบาย (ระหว่างมีขั้วถาวรกับขั้วเหนี่ยวนำ) และแรงเคโซม (ระหว่างขั้วถาวร)

คำจำกัดความ 
แรงแวนเดอร์วาลส์รวมถึงแรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างอะตอมและโมเลกุล แรงนี้แตกต่างจากพันธะโคเวเลนต์และพันธะไอออนิกเพราะเกิดจากความสัมพันธ์ทางสภาพมีขั้วที่ผันผวนของอนุภาคใกล้เคียง แรงแวนเดอร์วาลส์เป็นแรงอ่อนที่สุดในบรรดาแรงเคมีอย่างอ่อน มีความแข็งแรงประมาณ 0.4 ถึง 4 kJ/mol แรงนี้เป็นผลจากการเปลี่ยนผ่านชั่วคราวของความหนาแน่นอิเล็กตรอน กล่าวคือเมื่อเกิดความเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนไปมาระหว่างด้านใดด้านหนึ่งของนิวเคลียส จะก่อให้เกิดประจุย่อยที่สามารถดึงดูดและผลักอะตอมใกล้เคียง แรงแวนเดอร์วาลส์ตรวจพบได้ยากเมื่อระยะระหว่างอะตอมมากกว่า 0.6 นาโนเมตร ขณะที่หากระยะระหว่างอะตอมน้อยกว่า 0.4 นาโนเมตร แรงนี้จะกลายเป็นแรงผลัก

แรงแวนเดอร์วาลส์มีลักษณะเด่นคือ เป็นแรงที่อ่อนกว่าพันธะโคเวเลนต์และพันธะไอออนิก เป็นแรงที่ไม่เกี่ยวข้องกับทิศทาง เป็นแรงในระยะใกล้จึงกระทำต่ออนุภาคใกล้เคียงเท่านั้น และไม่ได้ขึ้นกับอุณหภูมิ ยกเว้นแรงดึงดูดระหว่างขั้ว (dipole–dipole interactions) หรือแรงเคโซม

แรงลอนดอน แรงเดอบาย และแรงเคโซม 
แรงลอนดอน (London dispersion force) เป็นแรงที่เกิดจากอะตอมหรือโมเลกุลมีขั้วชั่วคราว สภาพมีขั้วนี้สามารถเหนี่ยวนำจากโมเลกุลมีขั้วหรือการผลักของหมอกอิเล็กตรอนประจุลบในโมเลกุลไม่มีขั้ว ฉะนั้นแรงลอนดอนจึงถือว่าเกิดจากการผันผวนของความหนาแน่นอิเล็กตรอนในหมอกอิเล็กตรอน อะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนมากจะมีแรงลอนดอนมากกว่าอะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนน้อย แรงลอนดอนตั้งชื่อตามฟริทซ์ ล็อนด็อน นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน

แรงเดอบาย (Debye force) เป็นแรงที่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลมีขั้วถาวรกับโมเลกุลมีขั้วเหนี่ยวนำ โมเลกุลมีขั้วเหนี่ยวนำเกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลหนึ่งที่มีขั้วถาวรผลักอิเล็กตรอนของอีกโมเลกุล เหนี่ยวนำให้เกิดแรงดึงดูดซึ่งกันและกันระหว่างโมเลกุล แรงเดอบายไม่สามารถเกิดได้ระหว่างอะตอมและไม่ขึ้นกับอุณหภูมิเหมือนแรงเคโซม แรงเดอบายตั้งชื่อตามปีเตอร์ เดอบาย นักฟิสิกส์ชาวดัตช์

แรงเคโซม (Keesom force) เป็นอันตรกิริยาที่เกิดระหว่างโมเลกุลมีขั้วถาวรสองโมเลกุล โมเลกุลมีขั้วถาวรนี้มีการจัดเรียงที่ทำให้ประจุย่อยต่างขั้วของทั้งสองโมเลกุลอยู่ใกล้กันจึงก่อให้เกิดแรงดึงดูด แรงเคโซมเป็นแรงที่ขึ้นกับอุณหภูมิและไม่เกิดในสารละลายในน้ำที่มีอิเล็กโทรไลต์ แรงนี้ตั้งชื่อตามวิลเลิม เฮนดริก เคโซม นักฟิสิกส์ชาวดัตช์

อ้างอิง 

พันธะเคมี
แรงระหว่างโมเลกุล