分子间作用力 探寻分子间作用力特点具体成因
时间：2019-04-08 03:19:21 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：分子间同时存在相互作用的引力和斥力,令人费解。本文介绍,分子之间存在的具体的八种力即取向力、诱导力、色散力、盐键力、离子与偶极子之间的作用、离子与诱导偶极子之间的作用、氢键力、非键电子的排斥作用等,以达到全面理解的目的,通常所说的分子力是以上八种力复合的结果。
关键词：分子力 成分 复合
物理上通常以固体、液体难以被拉伸、也难以被压缩为例,说明分子之间同时存在着相互作用的引力和斥力,宏观表现的分子力是这个引力和斥力的合力。斥力和引力都随分子间距离的增大而减小,都随分子间距离的减小而增大。但斥力比引力变化得快。所以如果设分子间距离为r,则当r=r0时,f引=f斥,F合=0;当r＞r0时,f引＞f斥,F合为引力;当r＜r0时,f引＜f斥,F合为斥力。到了这一步,学习者很容易认为分子力有两种,一种是引力,另一种是斥力,但会发生疑问,这引力和斥力究竟是什么性质的力？是怎么产生的？对这个问题,我们做简要分析。
我们知道,两个或两个以上的原子通过它们之间的化学健结合成了分子或原子团,而分子之间通过其相互作用力构成物质。各种物质的构成成份及构成形式或者说分子的性质及分子结构各不相同。分子层次上的物质成分按其电学性质,通常有离子或荷电集团、偶极子、诱导偶极子等。它们之间可以产生复杂的相互作用力。另外由某种特殊结构会导致氢键力及疏水基团相互作用的存在。原子之间的过度接近还会产生强烈的推斥力。对于各种力的产生现分述如下:
(1)取向力,取向力又称葛生（keesom）力。由于极性分子有永久偶极矩而可以被看做偶极子。偶极子之间会产生持久的静电吸引作用。异性极之间的吸引使分子排列产生一定的取向,因而这种力被称为取向力。这个力是由葛生最早所发现,因为非常近似于稳定的静电作用而有时被笼统地称为静电力。取向力只存在于极性分子之间,其大小与分子间距离的关系大约为f∝。
(2)诱导力,当极性分子与非极性分子共存时,非极性分子容易处于相邻的被看做偶极子的极性分子的电场中,在外电场力作用下,非极性分子发生极化,产生偶极矩,形成偶极子,称之为诱导偶极子。那些极性分子形成的偶极子和诱导偶极子之间就产生相互吸引力,这个力被称为诱导力。诱导力是由德拜（Debye）发现的,因而又称之为德拜力。诱导力的大小与分子间距离的关系约为f∝。
(3)色散力。非极性分子虽无永久性偶极矩,但由于组成原子的原子核和电子都在不断地运动,在某一瞬间分子中正电荷的重心（原子核的重心）与负电荷的重心（电子的重心）发生偏移因而产生瞬间偶极矩,形成瞬间偶极子。这种偶极子会和其它瞬间偶极子及由其诱导而产生的偶极子之间产生力的作用。这种作用可能是斥力和也可能是引力。由于两个偶极子在相互吸引的方向上的能量比较低,比较稳定,因而总的结果是在分子间形成了弱的吸引力。这个力对应的能量公式近似于光的色散公式,所以常称之为色散力。色散力是到了1930年才由伦敦（London）用量子力学近似方法证明其存在,由此又称之为伦敦力。色散力的大小与分子间距离的关系大约也为f∝。色散力广泛存在于极性分子之间、非极性分子之间、不同分子之间及同一分子内的不同原子或基团之间。
(4)盐键力。在复杂的化合物结构中普通存在着荷电基团（离子团）荷电基团之间会产生相互的静电作用（如—COO-…+H3N—之间的静电作用）,这种静电作用称为盐键力。盐健力的大小与分子间距离的关系为f∝。
(5)离子与偶极子之间的作用。带电离子当然能在允许的范围内与偶极子发生静电作用,这个力的大小与分子间距离的关系大约为f∝。
(6)离子与诱导偶极子之间的作用,在特定的物质结构中离子和在其作用下产生的诱导偶极子之间也会产生静电作用,此力的大小与分子间距离的关系为f∝。
(7)氢键力,在以氢原子为中心的X—H…Y或X—H—Y结构中,X和Y都是电负性（抓取电子的能力）较高的原子,当H原子以共价键与X结合时,由于X的电负性高,吸引电子的能力强,使氢原子带部分正电荷。带有部分正电荷的氢原子与有孤对电子而电负性强的Y原子接触时会产生一种静电吸引力,这种吸引力称为氢键。当然氢键只存在于特定分子之间。和氢键相联系的还有非极性基团（又称疏水集团）间的作用力,由于存在的范围小,这里不再叙述。
(8)非键电子的推斥作用。由于物质总是由大量原子组成的,因此相邻近的原子（也可能离子）间的距离小到“接触”时,“接触”的原子核外层电子会相互“重叠”而会使原子（可能是分子中的）之间产生强烈的排斥力进而导致原子所属的分子之间的强烈排斥力。这种斥力显然会存在于适合距离内的任何原子之间。其大小与原子间距离的关系约为f∝。（n=10～13）勒纳德认为对大多数物质n=13较为符合。
以上各力发现的时间,产生的条件各有不同。人们在研究气体的行为时发现,理想气体的状态方程不太适用于真实气体。为了使其适用于真实气体,范德华（Van der Waals,又译为范德瓦耳斯）对理想气体的状态方程进行修正得:（P+）(V—b)=RT。其中修正项体显了气体分子之间的吸引力。当我们知道了分子之间的各种作用力产生的机理后会发现,气体分子之间只能存在取向力、诱导力、色散力。因此习惯上将这三种力统称为范德华力。在固体和液体当中上各种力都适用。
物理上将分子间的相互作用力简单地分为引力和斥力,那是根据勒纳德—琼斯势能方程E（r）=-(n=9～12)得到的。显然方程中(n=9～12)项具有斥力性质,而-项具有引力性质。根据我们对各种分子力产生机理的分析可知,分子之间存在着很多种复杂的电磁作用力,这些力有的是斥力、有的是引力。引力之和与分子间距离的关系大约为f引∝,斥力与分子间距离的关系约为f斥∝。宏观表现的分子力是这些力复合的结果。
参考文献
[1]胡英主.物理化学[M].高教育出版社,1979年10月.
[2]周公度.结构和物性[M].高等教育出版社,1993年6月.
