高中化學競賽/范德華力、氫鍵
分子的極性
[編輯]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
[編輯]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
()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。
偶極矩是一個向量,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
[編輯]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或永久偶極。
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
[編輯]取向力
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]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向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
[編輯]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 |