高中化学竞赛/范德华力、氢键

分子的极性

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 ${\ce {H2}}$ ， ${\ce {O2}}$ 等；

双原子的化合物分子都是极性分子，如 ${\ce {CO}}$ ， ${\ce {HCl}}$ 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

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 $d$ 表示。正电荷中心或负电荷中心所带的电量我们常用 $q$ 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 $\mu =q\cdot d$ 。偶极矩的单位常用德拜

（ ${\mbox{D}}$ ）表示， $1\ {\mbox{D}}=3.33564\times 10^{-30}\ {\mbox{C}}\cdot {\mbox{m}}$ 。当然，偶极矩在非极性分子中也是适用的，只是 $d=0$ 进而 $\mu =0$ 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（ ${\mbox{D}}$ ）	分子	偶极矩（ ${\mbox{D}}$ ）	分子	偶极矩（ ${\mbox{D}}$ ）
${\ce {H2}}$	0	${\ce {LiH}}$	5.884(1)	${\ce {H2O}}$	1.8546(40)
${\ce {N2}}$	0	${\ce {CH4}}$	0	${\ce {H2S}}$	0.97833
${\ce {P4}}$	0	${\ce {NH3}}$		${\ce {CO}}$	0.10980
${\ce {O2}}$	0	${\ce {HF}}$	1.826178	${\ce {CO2}}$	0
${\ce {O3}}$	0.53373	${\ce {HCl}}$	1.1086(3)	${\ce {CS2}}$	0
${\ce {S8}}$	0	${\ce {HBr}}$	0.827(3)	${\ce {SO2}}$	1.63305
${\ce {F2}}$	0	${\ce {HI}}$	0.448(1)	${\ce {HCN}}$	2.985188

偶极的改变

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或永久偶极。

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 $\Delta \mu$ 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

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 $F=k{\frac {Qq}{r^{2}}}$ ）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

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 $\alpha$ ）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

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

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/ ${\mbox{kJ}}\cdot {\mbox{mol}}^{-1}$	诱导力/ ${\mbox{kJ}}\cdot {\mbox{mol}}^{-1}$	色散力/ ${\mbox{kJ}}\cdot {\mbox{mol}}^{-1}$	范德华力/ ${\mbox{kJ}}\cdot {\mbox{mol}}^{-1}$
${\ce {Ar}}$	0	0	8.50	8.50
${\ce {CO}}$	0.003	0.008	8.75	8.75
${\ce {HI}}$	0.025	0.113	25.87	26.00
${\ce {HBr}}$	0.69	0.502	21.94	23.11
${\ce {HCl}}$	3.31	1.00	16.83	21.14
${\ce {NH3}}$	13.31	1.55	14.95	29.60
${\ce {H2O}}$	36.39	1.93	9.00	47.31