聚合作用力
化学试剂,九料化工商城 / 2020-11-25
本章讨论固体结构研究将原子、离子和分子连结在一起的作用力，并研究由x线射法揭示这些粒子在固体内部的排列方法。然后转向晶体并观察到在广泛的结构领域中，某些在我们周世界存在的大部分物质是由这种结构决定的.
物质通常是聚集在一起的。气体则相反，气体的粒子几乎完全混乱地分布和不停地运动着，而在固体内的粒子则几乎是固定不动的，定域在有规则的排列中在日常生活中固体物质的重要性自不待言。现代的很多技术关系到改良固体的结构，或者是改变它们的外形，例如汽车生产中钢的模:或者是为了得到特殊的性能而改变它们的内部结构。例如设法改进钢的抗腐蚀性和增大强度，发展新型半导体以及制造和应用合成的高聚物等等.
存在着一些作用力使粒子连接在一起，甚至当它们的原子化合价已完全被饱和时也是如此，最明显的例证是惰性气体凝聚相(即液体和固体)的存在。在足够低的温度下，这些力足以克服无规则的原子的热运动和使它们聚集为液体和固体，图5-1.
共价结构
一些物质的团块是一个巨大的分子。在它们中原子连结在一起形成广延的共价键结构.一个大家熟悉的例子就是金刚石，在金刚石中，每一个碳原子处在正四面体的角顶上并与四个相邻的原于分别形成化合健，如图5-2这种结构在整个品体中重复形成，故1克拉金刚石(质量为200mg)可以认为大约是1.0×102个原子所构成的单一分子，由于C一C键很强，难以断裂开，这种结构像一个大建筑物的钢筋骨架，因此金刚石品体很坚石墨的结构就很不同，见图5-3。它是由碳原子排列在六角形(像铁丝所织的网那样)顶上平面薄片组的薄片间只是借很弱的力连结在一起，彼此间很容易滑动，这正是石墨具有滑沼性的原因，刚硬性也是其它典型共价键固体(例如石英是SiO2单元胞的网状结)结构的共性。
金属
我们所见到的金属是由大量流动着的电子(电子海洋)所圆绕和拉在一起的离子有序集合体(图5-4)。由图可见这种键没有像金刚石固体的共价键那种定向性质，所以电子海洋中的离子群可以组成新的排列状态。由于定向性质的共价键与非定向性质的金属键间的不同，子群在电子海洋中移动。这些方法包括锤压、報压、挤压，拉伸和弯曲等这些延性(易于拉开)和展性(可锤打成形的性质)是金属的典型特征.
可流动的电子海洋的存在也说明了金属的其它典型特性:即它们的导电性和导热性以及它们对光的反射能力等导电性是由于当金属两端有一种电势差作用时(倘若是国家高压输电网的一部分，金属两端可以相距几英里)电子能够在离子骨梨中流动而体现的性质。导热性的引起与导电性相似，电子能从金属受热部分的离子振动中吸收动能，并迅速地通过离子骨架直至与一定距离的离子相碰撞，因而引起离子加剧振动为止(图5-5)，换句话说，流动的电子能有效的输送能量，金属的反射能力是电子流动性的另一表现入射光波使临近金属表面的电子振动，结果使入射光反射回去而不穿透金属体。在镜子上的反射作用是银的可流动的电子海洋振动的结果。
离子结构
食盐不是气体，必须在食物中才能冒气泡。虽然钠和氯的化合价是饱和的(达到闭合层结构的含义)、氯化钠却是刚硬的固体，这是因为两端离子的电荷产生的静电库仑力作用的结果这些力作用在各个方向上，因此在能量上有利使其它离子群集于头一对离子的周国，后其它离子又再集于它们的近旁，所以氯化钠的通常形态是由正离子和负子靠它们相互的静电吸引力连结在一起而构成大的聚集体这正是离子化合物类(例如其它的碱金属卤化物，碳酸钙，硫酸镁，等等)的共同特点。
晶格是离子的三维空间有规则的排列。离子晶格的强是由于离子间静电相互作用力決定的，只有当晶体被加热到图55电子的热传导作用高温(对氯化钠为801℃)，使离子在周围的振动加，致超过了静电作用力时体才熔化为液体。在第九章中我们将研究使离子品体连结的这种度的测量方法。
范德华力
我们现在再来讨论由相互独立的非离子的粒子所构成的固体。当这些粒子是分子时，些固体称为分子固体，举例来说，甲烷或苯的分子究竟是怎样连在一起，以及性气体的凝聚是依靠什么作用力来实现的呢?
在各个共价分子间的范德华力是由于偶极矩间的相互作用引起的。有两种主要的型式，即偶极-偶极力和色散力(或伦敦力)只有在当两个分子都是极性分子(具有恒久的电偶极)时才可能产生偶极一偶极力从图5-6可以看到当分子以定向排布时，便有利于邻近的相反电荷间的静电相互吸引作用。
色散力发生在极性分子间和非极性分子间，它们的作用通常超过其同时存在的偶极一偶极力。甚至在原子间也存在色散力。色散力的由来是基于这样的事实，分子的电子分布并不是静止的和冻结的，而是连续地闪烁着，从一种排布变为另一种排布。
两个相邻的分子通过它们的瞬时偶极而相互作用，见图5-7，这种相互作用是很强的足以引起惰性气体、烃类、碘等等的凝结范德华相互作用力比离子力要弱得多，故分子固体通常是软的。例如人造奶油是通过范德华力相互作用连结在一起的分子集合体，用刀片很易切开改组其排布。由范德华力构成的物质，其沸点和熔点也是低的(与离子品体相比较而言)。因为稍为加热搅拌就可以克服这种相互作用。在大分子间的范德华相互作用力是最大的，因为当这个分子的电子云延伸很广时(则它的核对外层电子只有很弱的拉力，故瞬时偶极矩在大的数值间摆动)，其色散力是最大的。
例题:三种卤化氢在101.325kPa(1atm)压力下的沸点为:HCI 188；HBr 206K； H:238K。解释这些值的大小为什么是这样的次序。
方法;注意所有三种化合物在液体或蒸气中都是相互独立的共价分子。分子间的作用力必须克服偶极一偶极力，色散力和氢键(见后面)的作用。并联想有关永久偶极矩是以这些卤素原子的电负性为基础的(表2-1)。
解答:卤素原子的电负性依I、Br、C的顺序增大，因此分子的永久偶极矩的大小依HI，Br、HC1的顺序增大，依据偶极偶极的相互作用，我们可设想沸点也以同样的次序增大但这与观察结果相矛盾。色散力在大的、多电子的分子中是最强的。从电子数目多少按HCI，HBr，HI这个顺序增加，故按照色散力我们可设想沸点同样应以这个次序增大:这与实际数据相一致。故此可得出这些化合物的分子间的作用力是以色散力占支配地位的结论.
评注:这个例子进一步证实了课文中所述的观点:偶极-偶极力对沸点很少能起决定性的形响。
大多数高聚物的结构介于分子固体和共价固体之间。高聚物在现代生活中有其特色，例如关于聚乙烯，它由ーCH2ーCH2ー单元以共价键连结的长链所组成。链的本身连接在一起是由于它们的范德华相互作用的结果。现代的塑料常含有添加剂和链间的共价交联.
氢键
氢键是一种特殊的键，这种键是由一个质子处在两个电负性很大的原子(例如氧、氟或氮原子)之间而将它们连结起来的。我们已经知道O一键在O一H意义上表现出极性，氧的电子的收缩效应如此之大以致使质子部分暴露出来，并使质子本身的静电作用可以达到其它一些高电子密度的区域，如与其它分子的氧或氮的孤电子对相互作用，这种键时常表示为X8-一H8+…Y8-，这里X和Y是电负性强的原子.
氢键对水的凝聚相的结构是很重要的，在液体中氢键的作用可以由检测一些元素的氢化物的沸点观察出来，如图5-8:液体水的沸点特别的高(比氨和氟化氢高得多)。这说明是由于氢将分子连结成液体而难以气化。结果在世界上使用的水是液体而不是气体。这样恰使生命能够发展下去。
当水固化时水中的氢键仍保持着。这些氢键使水分子成为一种碗松的晶体结构，图5-9这种结构的疏松性对生命的存在也是重要的。这是因为氢键不但使水分子连结迅速成为固体，而且使分子间开，故此水的密度比水小，结果池和海洋的上面先冻结，使下面区域得到保温，水中的生命就不会被抑止甚至在气相中也时常残留着氢键。例如乙酸蒸气含有很高比例二聚体，图5-10，这就影响到它的表观摩尔质量。在液态气氢中氢键强到使分子连接在一起成为聚集体，这种聚集体在蒸化中还部分地残存着。很多重要固体的结构主要是由氢键决定的糖是一个例子，从分子(蔗糖)构成晶体充满着氧和氢原子的连结。木材是另一个例子，木材由纤维的长链所组成。这些长链之间的氢键使木材获得了它的强度。在蛋自质中氢键也起着重要的作用，因为氢键使蛋白质长而柔韧的多肽链组成一定的排列，而在生物体中分子的形态对它的功能是起着重要作的。
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