高中化學競賽/范德華力、氫鍵

分子的極性

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我們在《化學選修3》課本中已經對極性分子和非極性分子已有一定的了解,並且知道

  • 雙原子的單質分子都是非極性分子,例如  等;
  • 雙原子的化合物分子都是極性分子,如  等。

類似於上述的規律。現在我們要對分子的極性進行進一步的學習。

偶極矩

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對於任何一個分子,我們總能找到它的正電荷中心和負電荷中心(也有教材寫作正電荷重心和負電荷重心)。如果正電荷中心和負電荷中心重合,那麼這個分子就是非極性分子;如果不重合,那麼就是極性分子。

正電荷中心和負電荷中心所帶的電量一定是相同的,因為一個分子整體上顯電中性。

在極性分子中,正電荷中心和負電荷中心之間的距離稱為偶極長,用符號 表示。正電荷中心或負電荷中心所帶的電量我們常用 表示。那麼我們可以定義一個度量極性大小的物理量——偶極矩 。偶極矩的單位常用德拜

 
維基百科中的相關條目:

 )表示, 。當然,偶極矩在非極性分子中也是適用的,只是 進而 而已。

偶極矩是一個矢量,具有大小和方向。與物理相反,化學中的偶極矩的方向是從正電荷到負電荷。

實驗測得一些分子的偶極矩如下表:

分子 偶極矩(  分子 偶極矩(  分子 偶極矩( 
  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

偶極的改變

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在上文中所提到的偶極矩是分子自始至終存在的,我們把它稱為固有偶極永久偶極

在外電場的作用下,(極性或非極性)分子也可能產生一個偶極矩,成為一個具有一定偶極的極性分子。我們將這樣的偶極稱為誘導偶極。其偶極矩稱為誘導偶極矩,用符號 表示。

即使沒有外加電場,由於分子中的原子核以及核外電子在不停的運動,也會產生一個瞬間的正電荷中心與負電荷中心不重合的情況,稱為瞬間偶極,其偶極矩被稱為瞬間偶極矩。分子越大,越容易變形,瞬間偶極矩越大。

范德華力

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取向力

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取向力

取向力是極性分子因固有偶極而產生的靜電引力。右圖是水分子之間的取向力示意圖。通過物理知識(兩個點電荷之間的靜電引力 )我們可以猜測:取向力的大小與分子的偶極矩和距離有關。事實上,取向力與下面這三個因素相關:取向力與分子的偶極矩的平方成正比,與熱力學溫度成反比,與分子間距的七次方成反比。

誘導力

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在極性分子的固有偶極誘導下,臨近它的分子(無論是極性分子還是非極性分子)會產生誘導偶極,分子間的誘導偶極與固有偶極之間的電性引力稱為誘導力。誘導力與極性分子的偶極矩的平方成正比,與被誘導分子的變形性(常用物理量「極化率」來表示,符號為 )成正比,與分子間距的七次方成反比。但與取向力不同的是,誘導力與溫度無關。

色散力

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色散力是由於瞬間偶極而產生的相互作用力。色散力沒有方向,因為分子的瞬時偶極矩的矢量方向時刻在變動之中,瞬時偶極矩的大小也始終在變動之中。量子力學的計算表明,分子的變形性越大,色散力越大。同樣的,色散力與分子間距的七次方成反比,此外還與相互作用的分子的電離勢有關。

范德華力

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范德華力是取向力、誘導力、色散力的總稱。一般來說,色散力占范德華力中的極大部分,但水分子和氨分子是特例,它們的分子間作用力以取向力為主,詳見下方的表格。范德華力不像共價鍵,沒有方向性和飽和性,也不受微粒之間的方向與個數的限制。它是分子(或原子)之間永恆存在的一種作用力,比化學鍵的作用力小一至二個數量級。

分子 取向力/

 

誘導力/

 

色散力/

 

范德華力/

 

  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

氫鍵

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