高中化学竞赛/范德华力、氢键

分子的极性 编辑

我们在《化学选修3》课本中已经对极性分子和非极性分子已有一定的了解,并且知道

  • 双原子的单质分子都是非极性分子,例如  等;
  • 双原子的化合物分子都是极性分子,如  等。

类似于上述的规律。现在我们要对分子的极性进行进一步的学习。

偶极矩 编辑

对于任何一个分子,我们总能找到它的正电荷中心和负电荷中心(也有教材写作正电荷重心和负电荷重心)。如果正电荷中心和负电荷中心重合,那么这个分子就是非极性分子;如果不重合,那么就是极性分子。

正电荷中心和负电荷中心所带的电量一定是相同的,因为一个分子整体上显电中性。

在极性分子中,正电荷中心和负电荷中心之间的距离称为偶极长,用符号 表示。正电荷中心或负电荷中心所带的电量我们常用 表示。那么我们可以定义一个度量极性大小的物理量——偶极矩 。偶极矩的单位常用德拜

 
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 )表示, 。当然,偶极矩在非极性分子中也是适用的,只是 进而 而已。

偶极矩是一个矢量,具有大小和方向。与物理相反,化学中的偶极矩的方向是从正电荷到负电荷。

实验测得一些分子的偶极矩如下表:

分子 偶极矩(  分子 偶极矩(  分子 偶极矩( 
  0   5.884(1)   1.8546(40)
  0   0   0.97833
  0     0.10980
  0   1.826178   0
  0.53373   1.1086(3)   0
  0   0.827(3)   1.63305
  0   0.448(1)   2.985188

偶极的改变 编辑

在上文中所提到的偶极矩是分子自始至终存在的,我们把它称为固有偶极永久偶极

在外电场的作用下,(极性或非极性)分子也可能产生一个偶极矩,成为一个具有一定偶极的极性分子。我们将这样的偶极称为诱导偶极。其偶极矩称为诱导偶极矩,用符号 表示。

即使没有外加电场,由于分子中的原子核以及核外电子在不停的运动,也会产生一个瞬间的正电荷中心与负电荷中心不重合的情况,称为瞬间偶极,其偶极矩被称为瞬间偶极矩。分子越大,越容易变形,瞬间偶极矩越大。

范德华力 编辑

取向力 编辑

 
取向力

取向力是极性分子因固有偶极而产生的静电引力。右图是水分子之间的取向力示意图。通过物理知识(两个点电荷之间的静电引力 )我们可以猜测:取向力的大小与分子的偶极矩和距离有关。事实上,取向力与下面这三个因素相关:取向力与分子的偶极矩的平方成正比,与热力学温度成反比,与分子间距的七次方成反比。

诱导力 编辑

在极性分子的固有偶极诱导下,临近它的分子(无论是极性分子还是非极性分子)会产生诱导偶极,分子间的诱导偶极与固有偶极之间的电性引力称为诱导力。诱导力与极性分子的偶极矩的平方成正比,与被诱导分子的变形性(常用物理量“极化率”来表示,符号为 )成正比,与分子间距的七次方成反比。但与取向力不同的是,诱导力与温度无关。

色散力 编辑

色散力是由于瞬间偶极而产生的相互作用力。色散力没有方向,因为分子的瞬时偶极矩的矢量方向时刻在变动之中,瞬时偶极矩的大小也始终在变动之中。量子力学的计算表明,分子的变形性越大,色散力越大。同样的,色散力与分子间距的七次方成反比,此外还与相互作用的分子的电离势有关。

范德华力 编辑

范德华力是取向力、诱导力、色散力的总称。一般来说,色散力占范德华力中的极大部分,但水分子和氨分子是特例,它们的分子间作用力以取向力为主,详见下方的表格。范德华力不像共价键,没有方向性和饱和性,也不受微粒之间的方向与个数的限制。它是分子(或原子)之间永恒存在的一种作用力,比化学键的作用力小一至二个数量级。

分子 取向力/

 

诱导力/

 

色散力/

 

范德华力/

 

  0 0 8.50 8.50
  0.003 0.008 8.75 8.75
  0.025 0.113 25.87 26.00
  0.69 0.502 21.94 23.11
  3.31 1.00 16.83 21.14
  13.31 1.55 14.95 29.60
  36.39 1.93 9.00 47.31

氢键 编辑