範德華力的本質到底是什麼呢?

2021-01-08 化學高中

範德華力的本質到底是什麼呢?

原子與原子之間以及離子與離子之間是依靠化學鍵結合成分子的,而微觀分子又是怎樣聚集成宏觀物質的呢?為什麼在溫度足夠低時許多氣體會凝聚為液體,甚至凝固為固體?是怎樣的吸引力使這些分子凝聚在一起的?這是科學家繼研究化學鍵後探討的又一問題。離子鍵、共價鍵和金屬鍵是分子內原子間比較強的相互作用,鍵能約為100~ 800kJ/mol。事實上,在分子間也存在著一種相互作用,不過比較弱,其結合能大約只有幾到幾十千焦每摩爾。氣體分子能凝結為液體和固體,主要就靠這種分子間的作用。由於荷蘭物理學家範德華第一個提出這種相互作用,所以通常把分子間的作用力就稱為範德華力。那麼範德華力是怎樣產生的,其本質又是什麼呢?

人們對範德華力本質的認識也是隨著量子力學的出現而逐步深入的。範德華力一般包括三個部分:取向力、誘導力和色散力。為了尋求範德華力的來源,先來了解分子的偶極矩和極化率。在任何一個分子中都可以找到一個正電荷重心和一個負電荷重心,根據正、負電荷重心是否重合,可以把分子分為極性分子和非極性分子。正、負電荷重心不相互重合的分子叫極性分子,兩個電荷重心互相重合的分子叫非極性分子。如果我們把正電荷重心與負電荷重心距離稱為偶極長,通常以d來表示,那麼就可把分子的偶極矩定義為分子的偶極長d和偶極上一端電荷q的乘積:

μ=q×d

偶極矩是一個矢量,化學上規定其方向是從正到負。由於極性分子的正、負電荷重心不重合,因此分子中始終存在著一個正極和一個負極,極性分子的這種固有的偶極稱為永久偶極。而非極性分子儘管正、負電荷重心重合,但由於分子內部的原子核和電子都在不停地運動著,不斷地改變著它們的相對位置,在某一瞬間,分子的正電荷重心和負電荷重心會發生不重合的現象,這時所產生的偶極就是瞬時偶極。

另外,若有外電場作用時,由於同性相斥、異性相吸,非極性分子原來重合的正、負電荷重心被分開,極性分子原來不重合的正、負電荷重心被更進一步分開,這種正、負電極分化的過程就稱為極化。顯然在外電場的影響下,非極性分子可以變為一個具有偶極的極性分子,而極性分子固有偶極會進一步增大,這種在外電場影響下所產生的偶極稱為誘導偶極,電場越強,分子的變形越顯著,誘導偶極越大。μ(誘導偶極矩)E(電場強度),引入比例常數α,使μ(誘導偶極矩)=α ×E(電場強度)。α叫分子的誘導極化率,簡稱極化率。作為衡量分子在電場作用下變形大小的標度,極化率越大,分子的變形性也就越大。

現在讓兩個極性分子相互接近,由於極性分子具有偶極,偶極是電性的,自然要同極相斥,異極相吸,極性分子的正極一端轉向負極,負極一端轉向正極,發生定向極化。接近到一定距離後,排斥和吸引達到相對平衡,體系的能量達到最小值,這種靠永久偶極的取向而產生的作用力稱為取向力。分子的極性越大,取向力就越大;溫度越高,取向力越弱;分子間距離增大,取向力銳減。另外,極性分子與極性分子之間除了取向力外,由於極性分子的相互影響,每個分子都會發生變形,產生誘導偶極,同時非極性分子與極性分子靠近時,在極性分子固有偶極產生電場的影響下,非極性分子被極化,也要產生誘導偶極,兩個分子也保持著異極相鄰的狀態。這種誘導偶極同極性分子的永久偶極間的作用力稱為誘導力。誘導力與極性分子偶極矩的平方成正比,與被誘導分子的變形性成正比(分子中各原子的半徑越大越容易變形),而與分子間距離的7次方成反比,隨著距離的增大減弱得很快。誘導力與溫度無關。

事實上,任何一個分子,由於電子的運動和原子核的振動都可以發生瞬時的相對位移而產生瞬時偶極,並進一步誘導相鄰的分子也產生瞬時偶極,分子也產生瞬時偶極,兩個分子就可以靠瞬時偶極相互吸引在一起。這種由於存在「 瞬時偶極」而產生的相互作用力稱為色散力(因為從量子力學導出的這種力的理論公式與光色散公式相似,因此把這種力稱為色散力),色散力主要與分子的變形性有關,分子的極化率越大,色散力就越強,另外也與分子間距離的7次方成反比,隨著分子間距離的增大而迅速減小。

總之,在非極性分子之間,只有色散作用;在極性分子和非極性分子之間,有誘導作用和色散作用;在極性分子之間,則有取向、誘導和色散作用。這三種作用都是吸引作用,分子間力就是這三種力的總稱,也就是通常所說的範德華力。

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    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律,但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的,引力的本質到底是什麼?牛頓當然也知道這引力的本質是一個更大的奧秘,不過在牛頓時代,發現萬有引力定律已經很偉大很不容易了,研究引力的本質確實有些強人所難,畢竟大自然的奧秘不是短時間內就能揭開的。而這個更大的奧秘(引力的本質)留給了幾百年後的科學家,他就是偉大的愛因斯坦。
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