分子间的成键 范德华力.doc

分子间的成键 - 范德华力 本页阐述两种较弱的分子间吸引力范德华色散力和偶极子-偶极子吸引力。如果你对氢键也有兴趣 ，可以点击它在页面底部的链接。 分子间的吸引力是什么?分子间成键与分子内成键的比较分子间 的吸引力指的是分子与它邻近分子之间的吸引力。而分子内的吸引力指的是维持单个分子结构的吸引力(譬如共价键)。这两个词很相近，为了避免混淆，我们决定放弃使用分子内这一个词，它将不会再出现于本站中。无论何种分子皆具有分子间的吸引力，只不过某些种类的分子其分子间的吸引力强一些，某些种类的分子其分子间的吸引力弱一些。即使是氢(H2)这类分子间的吸引力非常弱小的分子，当分子的热运动减慢后，其分子间的吸引力也足以使分子聚集在一起形成液体，甚至是固体。氢的分子间吸引力非常弱小，当温度下降到21 K (-252C)之后，氢原子才能在分子间吸引力的作用下凝结为液体。氦的分子间吸引力甚至更弱当温度下降到4 K (-269C)以后，才会在分子间吸引力的作用下凝结为液体。 范德华力:色散力色散力(本页将要介绍的两种范德华力中的一种)也叫“伦敦力” (第一个提出它的产生原因的人叫夫瑞斯伦敦)。范德华色散力的来源不断变动的偶极范德华色散力与电子的运动有关。像氢原子这样电子对称分布的分子，我们找不出哪个方向上电子呆的时间多一些(或少一些)从而产生了局部的负电荷(或正电荷)。但是，这一观点是建立在平均意义(统计)之上的。上图表示的是一个电子对称分布的小分子可能是H2 分子，也有可能是Br2等分子。颜色的均匀分布用来代表在平均意义(统计)上电子的均匀分布。但电子在不断地变换其位置，在任何时刻，电子都可能位于分子的某一端，使那一端呈现- ，而分子的另一端便会由于临时的电子缺乏而呈现出 +。注意： (读做delta) 代表 略微 因此 + 代表 略微带正电 。瞬息之间，电子又可能移动到了分子的另一端，使分子的两极发生颠倒。电子在分子中的持续运动导致了分子极性的迅速变化，这种变化存在于任何分子中，包括电子分布最为匀称的分子以及单原子分子(惰性气体分子，比如由单个氦原子构成的氦分子)。氦的两个电子可能在同一时刻出现在原子的同一侧面，那时的原子核不被电子所完整的覆盖。 临时偶极如何使分子间产生吸引想象一个分子某一时刻完全没有极性，它靠近另一个拥有极性的分子。(分子在某一时刻完全没有极性的可能性十分微小，但我们这样假设能方便理解！绝大多数情况，一个分子在某一时刻比另一个分子的极性更弱并由此受到另一个分子的影响)当上图右边没有极性的分子靠近左边有极性的分子时，它的电子被左边分子略微带正电的一端所吸引。这将导致右边的分子形成诱导偶极，于是，右边分子的-端正对着左边分子的+端。瞬息之间，左边分子的电子可能已运动到分子的右侧，它在运动的过程中会对右边分子的电子产生排斥。于是两个分子的极性发生了颠倒，但仍然是一个分子的+端吸引着另一个分子的-端。只要分子间的距离足够近，两个分子的极性将始终同步地不断变化，因此两个分子间的吸引力将始终存在。 分子极性的同步变化不仅出现在两个分子之间，也出现在数量庞大的分子之间，只要分子间的距离足够近，电子的运动便会相互影响，极性便会同步变化。上图显示了整个晶格中的分子如何通过范德华色散力连接形成固体。瞬息之后，电子在上图的分布将发生变化，分子的极性也会随之改变，但不变的是分子间的吸引力因为极性的所有改变都是同步的。 色散力的强度分子间色散力的强度比分子内共价键的强度弱很多。但我们不能给出其准确的数值，因为分子间色散力的强度会随分子的大小和形状而改变。分子的大小如何影响色散力的强度以下是惰性气体的沸点：氦-269C氖-246C氩-186C氪-152C氙-108C氡-62C以上的所有元素皆能以单原子方式形成分子。惰性气体元素的沸点随原子序数的增加而上升，是因为随着原子序数的增加，元素的电子数量将增加，原子半径也将扩大。更多的电子、更大的电子活动范围(原子半径)意味着平均意义(统计)上更强的临时性偶极也就是更强的范德华色散力。由于具有更强的临时性偶极，氙分子比氖分子更有粘性。氙分子相互间的分离温度(沸点)比氖分子相互间的分离温度(沸点)高得多。这就是为什么(在其它所有条件相同的情况下)大分子物质的沸点比小分子物质高。大分子拥有更多的电子和更大的电子运动范围因此它更富有粘性。 分子的形状如何影响色散力的强度色散力与分子的形状也有关系。色散力源于电子的运动，比起拥有相同数量电子的短胖分子，细长分子可产生更强的临时性偶极。另外，细长的分子相互间可以靠的更近当分子靠得更近时，所产生的吸引力会更强，吸引的效果也会更明显。举例来说，丁烷和2-甲基丙烷是两种化学式(C4H10)相同的碳氢化合物分子，它们的差别在于它们原子排列上的不同。丁烷的碳原子排列成单链，而2-甲基丙烷的碳原子则排列成有分支的短链。丁烷的沸点比2-甲基丙烷高是因为它的色散力更强。丁烷的分子更长(因此可建立更强的临时性偶极)，且其分子与分子间排列的紧密程度比起又短又胖的2-甲基丙烷来说更高。 范德华力：偶极子-偶极子间的相互作用警告！我使用的是最新的教学大纲，大多数旧的教学大纲把偶极子-偶极子间的相互作用力看成是有别于范德华力的另一种力。这类教学大纲中，范德华力单指色散力，偶极子-偶极子间的相互作用力不属于范德华力。 最新的教学大纲中，一切 分子间的吸引力皆属于范德华力。几种范德华力先后在不同的时期被不同的人所解释。例如，偶极子-偶极子间的作用力由凯索姆于1912年首先提出，色散力由伦敦于1930年首先提出。教学大纲之间的矛盾并不是什么大问题，我们所真正关心的是学生能理解每一种力。但很明显，你必须清楚试题中使用的术语所代表的含义。查阅你的教学大纲。如果你使用的是英国16岁到18岁年龄段的教学大纲(英文原站)，那么点击此链接可得知如何获取你所使用的教学大纲。 HCl一类的分子拥有永久性的偶极，因为氯比氢的电负性更高。这些永久性的偶极将会增加分子间的吸引力，使它们间的吸引比单纯依赖色散力时更强。注意：如果你对电负性和极性分子不熟悉，那么请在继续阅读本页内容之前查看此链接。我们知道，所有种类的分子之间都存在着色散力。偶极子-偶极子相互作用力与色散力的关系不是非彼即此的，偶极子-偶极子相互作用力和色散力共同增加了分子间的吸引强度。同等条件下，拥有永久性偶极的分子(比单纯拥有临时性变化偶极的分子)具有更高的沸点。 出乎意料的是，偶极子-偶极子相互作用力的吸引强度明显低于色散力的强度，为了能看清楚偶极子-偶极子相互作用力的吸引效果，我们不得不选择两个电子数目相等、形状大小几乎一致的分子进行比较。乙烷(CH3CH3)和氟甲烷(CH3F)就是这样的分子： 为什么选择这两种分子进行比较？我们刚才说过，它们拥有数量相等电子，如果你制作等比例的模型，你会发现它们的大小也十分相近就像上图所显示的那样。综合上述，我们可推断出它们的色散力基本相等。氟甲烷的沸点较高一些，因为氟的电负值很大，造成了分子很强的永久性偶极。然而，即使是如此强烈的永久性偶极，也不过使沸点增加了10C多一点。 下面是一个从正面说明色散力主导地位的例子。三氯甲烷(CHCl3) 是一个高度极性的分子，因为它的3个氯原子具有很高的电负性。三氯甲烷分子与邻近分子之间存在着颇为强烈的偶极子-偶极子吸引力。另一方面，四氯化碳