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分子间作用力

铜臭 / 2022-07-13

前面我们讨论了分子内相邻原子之间的相互作用力-化学键，化学键是决定分子性质的主要因素，但是单从化学键的角度，还不能说明物质的全部性质。如水的三态变化，从 g→l→s,表明除了化学键以外，分子和分子之间也存在作用力-分子间力。分子间力是决定物质的熔点、沸点、熔化热、汽化热、溶解度、表面张力、黏度等物理性质的主要因素。

1873年，荷兰物理学家范德华(Vander Waals)开始对分子间力进行研究，因此分子间力又称范德华力。

分子间力的本质是电性引力，在介绍分子间力之前，先熟悉分子的两种电学性质:分子的极性和变形性。

4.3.1分子的极性和变形性

4.3.1.1分子的极性

每个分子都有带正电荷的原子核和带负电荷的电子，由于正、负电荷的电量相等，所以整个分子是电中性的。我们设想，分子中的电荷分布像质量一样存在一个“中心”，电荷的分布都集中在这一点上，把这一点称作正电荷中心和负电荷中心，见图4-25。

分子的极性大小可以用分子的偶极矩来衡量。表4-11列出某些物质的偶极矩。偶极矩的数值越大，表示分子的极性越大，偶极矩为零的分子为非极性分子。

表4-11 一些物质的偶极矩（在气相中）
物质	偶极矩μ/C·m	分子空间构型	物质	偶极矩μ/C·m	分子空间构型
H₂	0	直线型	H₂S	3.07×10⁻³⁰	V字形
CO	0.33×10⁻³⁰	直线型	H₂O	6.24×10⁻³⁰	V字形
HF	6.40×10⁻³⁰	直线型	SO₂	5.34×10⁻³⁰	V字形
HCI	3.62×10⁻³⁰	直线型	NH₃	4.34×10⁻³⁰	三角锥形
HBr	2.60×10⁻³⁰	直线型	BCI₃	0	平行三角形
HI	1.27×10⁻³⁰	直线型	CH₄	0	正四面形
CO₂	0	直线型	CCI₄	0	正四面形
CS₂	0	直线型	CHCl₃	3.37×10⁻³⁰	四面体
HCN	9.64×10⁻³⁰	直线型	BF₃	0	平面三角形

由表4-11可以看出，由同种元素组成的双原子分子，如H₂、Cl₂、N₂、O₂等分子的偶极矩为零，为非极性分子。像卤化氢(HF)这样由不同元素组成的双原子分子的极性强弱与分子中共价键的极性一致。对于多原子分子，分子的极性除取决于键的极性外，还与分子的空间构型是否对称有关。例如CO₂、 CS₂分子中的共价键都有极性，但分子的空间结构对称，偶极矩为零，为非极性分子。H₂O、NH₃分子中H一O、H—N键为极性键，分子的空间构型不对称，所以偶极矩不为零，为极性分子。

根据极性强弱，可将分子分为三种类型，见图4-26。

例4-9判断NH和BF,分子极性强弱。

解: NH₃分子三角锥形，有一孤电子对，是强极性分子，而BF₃中B原子sp²杂化，分子呈平面三角形，键矩矢量和为零，无极性，故极性NH₃ > BF₃

4.3.1.2分子的变形性

分子的极性考虑的是孤立分子中电荷的分布情况，如果把分子置于外电场中，则其电荷分布将发生变化。如图4-27所示，将一非极性分子置

于电容器的两个极板之间，分子中带正电荷的原子核被吸引向负电极，而电子云被吸引向正电极，其结果是，电子云与核发生相对位移，分子发生形变(这一过程称作分子的变形极化)，分子中原本重合的正、负电荷中心分离，分子出现偶极，这种偶极称为诱导偶极(μ诱导)。

诱导偶极的大小与电场强度E成正比: μ=α·E。电场越强，分子的变形越显著，诱导偶极越大。比例系数α，称为分子的诱导极化率，简称极化率，可由实验测定，反映了分子在外电场作用下变形性大小。α越大，μ诱导越大，分子的变形性越大。一些物质分子的极化率见表 4-12。由表4-12 可以看出，分子越大，包含的电子越多，分子的极化率越大，分子的变形性越大。

表4-12 一些物质分子的极化率
分子	极化率/C·m²·V⁻¹	分子	极化率/C·m²·V⁻¹
He	0.227×10⁻⁴⁰	HCI	2.85×10⁻⁴⁰
Ne	0.437×10⁻⁴⁰	HBr	3.86×10⁻⁴⁰
Ar	1.81×10⁻⁴⁰	HI	5.78×10⁻⁴⁰
Kr	2.73×10⁻⁴⁰	H₂O	1.61×10⁻⁴⁰
Xe	4.45×10⁻⁴⁰	H₂S	4.05×10⁻⁴⁰
H₂	0.892×10⁻⁴⁰	CO	2.14×10⁻⁴⁰
O₂	1.74×10⁻⁴⁰	CO₂	2.87×10⁻⁴⁰
Cl₂	5.01×10⁻⁴⁰	CH₄	3.00×10⁻⁴⁰
Br₂	7.15×10⁻⁴⁰	C₂H₆	4.81×10⁻⁴⁰

对于极性分子来说，本身就存在着偶极，这种偶极称为固有偶极或永久偶极。在外电场的作用下，极性分子正极一端将转向负电极，负极端转向正电极，见图4-28，这一过程称作分子的定向极化。而且在外电场的进一步作用下，产生诱导偶极，分子的偶极为固有偶极和诱导偶极之和，分子的极性增强。

极化作用不仅仅在外电场的作用下可以发生，分子与分子之间也可以发生。一个极性分子相当于一个微电场，可以使其他分子极化变形。因此，极性分子与极性分子之间，极性分子与非极性分子之间都存在着极化作用。

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