2020-08-18 13:46:39

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分子间作用力按其实质来说是一种电性的吸引力,因此考察分子间作用力的起源就得研究物质分子的电性及分子结构。

基本信息

  • 中文名

    分子间作用力

  • 别名

    分子间力

  • 作用对象

    分子之间 高分子化合物内官能团

  • 一般分类

    范德华力、氢键、其他非共价键

  • 来源分类

    色散力,取向力,诱导力

  • 归属

    化学,力,分子间力

折叠 编辑本段 简介

分子间作用力指存在于分子与分子之间或高分子化合物分子内官能团之间的作用力,简称分子间力。它主要包括:

范德华力:起初为了修正范德华方程而提出。普遍存在于固、液、气态任何微粒之间,与距离七次方成反比。根据来源不同又可分为: 色散力(en:London dispersion force):瞬时偶极之间的电性引力;取向力(dipole-dipole force):固有偶极之间的电性引力;诱导力:诱导偶极与固有偶极之间的电性引力;氢键:X-H…Y类型的作用力。此外,新型的分子间作用力也不断有报道,包括双氢键和金键等。

定义:范德华力(又称分子作用力)产生于 分子或原子之间的静电相互作用。其能量计算的经验方程为:U =B/r 12- A/r 6 (对于2 个碳原子间,其参数值为B =11.5 ×10-6 kJnm^12/mol ;A=5.96 × 10-3 kJnm^6/mol;不同原子间A、B 有不同取值)当两原子彼此紧密靠近电子云相互重叠时,发生强烈排斥,排斥力与距离12 次方成反比。图中低点是范德华力维持的距离作用力最大,称范德华半径。

分子间作用力分子间作用力

范德华力又可以分为三种作用力:诱导力、色散力和取向力。

值得注意的是,虽然分子呈电中性,但是因为电子的运动,分子中的部分原子将会出现微弱电性,形成力的作用。

折叠 色散力

原子-内部组成的粒子模型图原子-内部组成的粒子模型图

原子-内部组成的粒子模型图

色散力(dispersion force 也称"伦敦力")所有分子或原子间都存在。是分子的瞬时偶极间的作用力,即由于电子的运动,瞬间电子的位置对原子核是不对称的,也就是说正电荷重心和负电荷重心发生瞬时的不重合,从而产生瞬时偶极。色散力和相互作用分子的变形性有关,变形性越大(一般分子量愈大,变形性愈大)色散力越大。色散力和相互作用分子的电离势有关,分子的电离势越低(分子内所含的电子数愈多),色散力越大。色散力的相互作用随着1/r6 而变化。其公式为:

分子间作用力公式分子间作用力公式

I1 和I2 分别是两个相互作用分子的电离能,α1 和α2 是它们的极化率。

折叠 诱导力

诱导力(induction force)在极性分子和非极性分子之间以及极性分子和极性分子之间都存在诱导力。由于极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响,使非极性分子电子云变形(即电子云被吸向极性分子偶极的正电的一极),结果使非极性分子的电子云原子核发生相对位移,本来非极性分子中的正、负电荷重心是重合的,相对位移后就不再重合,使非极性分子产生了偶极。这种电荷重心的相对位移叫做"变形",因变形而产生的偶极,叫做诱导偶极,以区别于极性分子中原有的固有偶极。诱导偶极和固有偶极就相互吸引,这种由于诱导偶极而产生的作用力,叫做诱导力。在极性分子和极性分子之间,除了取向力外,由于极性分子的相互影响,每个分子也会发生变形,产生诱导偶极。其结果使分子的偶极距增大,既具有取向力又具有诱导力。在阳离子阴离子之间也会出现诱导力。

诱导力与极性分子偶极矩的平方成正比。诱导力与被诱导分子的变形性成正比,通常分子中各原子核的外层电子壳越大(含重原子越多)它在外来静电力作用下越容易变形。相互作用随着1/r6 而变化,诱导力与温度无关。其公式:

公式公式

α为极化率。

折叠 取向力

取向力(orientation force)取向力发生在极性分子与极性分子之间。由于极性分子的电性分布不均匀,一端带正电,一端带负电,形成偶极。因此,当两个极性分子相互接近时,由于它们偶极的同极相斥,异极相吸,两个分子必将发生相对转动。这种偶极子的互相转动,就使偶极子的相反的极相对,叫做"取向"。这时由于相反的极相距较近,同极相距较远,结果引力大于斥力,两个分子靠近,当接近到一定距离之后,斥力与引力达到相对平衡。这种由于极性分子的取向而产生的分子间的作用力,叫做取向力。取向力与分子的偶极矩平方成正比,即分子的极性越大,取向力越大。取向力与绝对温度成反比,温度越高,取向力就越弱关相互作用随着1/r6 而变化。其公式为:

公式公式

μ1,μ2 为两个分子的偶极矩; r 为分子质心间的距离, k 为Boltzmann 常数,T 为热力学温度,负值表示能量降低。

折叠 三种力的关系

极性分子与极性分子之间,取向力、诱导力、色散力都存在;极性分子与非极性分子之间,则存在诱导力和色散力;非极性分子与非极性分子之间,则只存在色散力。这三种类型的力的比例大小,决定于相互作用分子的极性和变形性。极性越大,取向力的作用越重要;变形性越大,色散力就越重要;诱导力则与这两种因素都有关。但对大多数分子来说,色散力是主要的。实验证明,对大多数分子来说,色散力是主要的;只有偶极矩很大的分子(如水),取向力才是主要的;而诱导力通常是很小的。极化率α反映分子中的电子云是否容易变形。虽然范德华力只有0.4-4.0kJ/mol,但是在大量大分子间的相互作用则会变得十分稳固。比如C-H 在苯中范德华力有7 kJ/mol,而在溶菌酶和糖结合底物范德华力却有60kJ/mol,范德华力具有加和性。

分子作用力、离子键、盐键共价键都是静电引力为什么差距这么大?

所以真正关键词是"距离",我们可以把分子作用力、离子键放在一起考虑。

作用类型

能量和距离关系

荷电基团静电作用

1/r

离子-偶极子

1/r2

离子-诱导偶极

1/r4

偶极子-偶极子

1/r6取向力化学

偶极子-诱导偶极子

1/r6诱导力

诱导偶极子-诱导偶极子

1/r6色散力

非键排斥

1/r12-1/r6

在中学里学过离子键,以及NaCl、CsCl、CaF2、立方ZnS、六方ZnS、金红石TiO2 这六种典型化合物的晶体构型,是强作用力。

在生物学中重点是了解有机分子的离子相互作用。有机分子形成的离子,电负性差异没有那么大,相互作用不像这些典型的离子化合物离子键这样大,所以就称为离子相互作用;但他们的共同点都是靠静电引力做形成。

NaCl、CsCl、CaF2、立方ZnS、六方ZnS、金红石TiO2 这六种典型化合物的晶体构型其离子键能量是和距离一次方成反比,Mg2+和ATP 的相互作用,氨基酸两性离子间的相互作用。离子-偶极子是随距离二次方 而减小,离子-诱导偶极子是随距离4次方而减小。所以生物分子中的离子相互作用(也称盐键)是弱相互作用,是随1/r2-1/r4 而减小。

ATP 和镁离子相互作用ATP 和镁离子相互作用

ATP 和镁离子相互作用

而范德华力包括引力和斥力,引力和距离的6次方成反比,排斥力与距离的12 次方成反比。他们都是静电力在不同层次的涌现。

折叠 编辑本段 距离哲学

范德华力很好理解,这和夸克的"渐进自由"不同。用孔子的话来说就是"近则不逊,远则怨。"人与人之间需要有一定心灵的距离,远了会孤独,需要彼此拉近;近了,矛盾又会激化。对原子来说这个"矛盾"可是和距离12 次方成反比,而吸引力是和6 次方成反比。原子间的距离可以近似度量,但是人与人心灵距离,却无法度量……

人与人之间也会有一个安全距离。美国心里学硕士邓肯说过:1.2 米是人与人之间的安全距离。除非是你特别信任、熟悉或者亲近的人,否则无论是说话还是其他的交往,逾越了这个距离,都会让你产生不安全的感觉。大街上的来来往往的人流,两人一组、三人一群的,前后彼此的距离也大都保持在一定的距离内,这也是人们下意识的安全防范吧;还有自动提款机前的一米安全线。留心一些,会发现安全距离在我们身

心灵的距离心灵的距离

边处处可见。有的人说婚姻是一座围城,没有进去的人想进去;进去的人又想出来。人与人之间的距离往往大于生命的"范德华半径"彼此信任较少。

进入婚姻围城后都渴望彼此心的距离更近些变得不再孤独,也正是因为越过了人

自我界限,便会有猜疑,不信任,误会,患得患失,渴望对方付出更多,向对方索取更多,最终像夸克、费米子一样走向了"渐进自由"才构成了现在社会的离婚。果

折叠 编辑本段 与氢键的关系

氢键的本质是强极性键(A-H)上的氢核 与电负性很大的、含孤电子对并带有部分负电荷的原子B之间的静电引力。氢原子可以同时与2个电负性很大、原子半径较小且带有未共享电子对的原子(如O、N、F等)相结合。在X-H…Y,X、Y都是电负性很大、原子半径较小且带有未共享电子对的原子。X-H中,X有极强的电负性,使得X-H键上的电子云密度偏向于X一端,而H显示部分正电荷;另一分子中的Y上也集中着电子云而显负性,它与H以静电力相结合,这就是氢键的本质。所以一般把形成氢键的静电引力也称为范德华力,所不同的的是它具有饱和性与方向性。这种力一般在40kJ/mol以下,比一般的键能小得多。

从物理力学角度讲可分为引力和斥力

引力:

①当外力欲使物体拉伸时,组成物体的大量分子间将表现出引力以抗拒外界对它的拉伸。

②分子间虽然有空隙,大量分子却能聚在一起形成固体和液体,说明分子间存在引力。

③固体保持一定的形状,说明分子间有引力。

斥力:

①当外力欲使物体压缩时,组成物体的大量分子间将表现出斥力以抗拒外界对它的压缩。

②分子间有引力,分子却没有紧紧吸在一起,而是还存在着空隙,说明分子间有斥力。

折叠 编辑本段 影响因素

氢键、键的极性、相对分子量。半径(结构相似的离子化合物,半径越大,则距离越远,离子键越弱,熔沸点越低)

折叠 编辑本段 性质

组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大,克服分子间引力使物质熔化和汽化就需要更多的能量,熔、沸点越高.但存在氢键时分子晶体的熔沸点往往反常地高。气体分子之间的距离较大,故分子间的相互作用较小;液体和固体的存在,正是分子间有互相吸引作用的证明;而液体、固体的难于压缩,又证明了分子间在近距离时表现出的排斥作用。

折叠 编辑本段 例题

下列现象能说明分子之间有相互作用力的是()

A.一般固体难于拉伸,说明分子间有引力

B.一般液体易于流动和变成小液滴,说明液体分子间有斥力

C.用气筒给自行车胎打气,越打越费力,说明压缩后的气体分子间才有斥力

D.高压密闭的钢筒中的油沿筒壁溢出,这是钢分子对油分子的斥力

解析:固体难于拉伸,是分子间引力的表现,故A对;B中液体的流动性不能用引力、斥力来说明,它的原因是化学键的作用;C中,气体分子即使不压缩时也有斥力,只不过较小而已,D中说明钢分子间有空隙,油从筒中溢出,是外力作用的结果,而不是钢分子对油分子的斥力

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