范德华力
字数 1143 2025-11-12 10:44:23
范德华力
范德华力是分子间存在的一种较弱的相互作用力,其能量通常远低于化学键。它普遍存在于所有分子之间,对物质的物理性质(如熔点、沸点、溶解度等)有重要影响。
首先,范德华力主要包含三个组成部分:取向力、诱导力和色散力。理解这三种力的起源和特性是掌握范德华力的关键。
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取向力:
- 前提:发生在极性分子之间。
- 机理:极性分子具有永久偶极矩。当两个极性分子相互靠近时,它们的固有正负电荷中心会相互吸引或排斥,使得分子发生相对转动。最终,分子会采取一个能量较低的排列方式,即异极相邻的状态。这种由永久偶极的静电相互作用而产生的吸引力,就称为取向力。
- 影响因素:分子的极性越强(偶极矩越大),取向力就越显著。温度也会影响它,温度升高,分子热运动加剧,会破坏这种有序排列,从而使取向力减弱。
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诱导力:
- 前提:可以发生在极性分子与非极性分子之间,也可以发生在极性分子之间。
- 机理:当一个极性分子(具有永久偶极)靠近一个非极性分子时,极性分子的电场会使非极性分子的正负电荷中心发生相对位移,从而产生一个临时的、诱导出来的偶极矩。这个诱导偶极与永久偶极之间的相互作用力,就是诱导力。
- 影响因素:极性分子的偶极矩越大,以及非极性分子的电子云越容易被扭曲(即极化率越高),诱导力就越强。
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色散力:
- 前提:存在于所有分子之间,无论是极性分子还是非极性分子(如氦、氩、氮气等)。它是范德华力中最普遍、最重要的一种,在许多情况下甚至是主导成分。
- 机理:即使在非极性分子中,电子在原子核周围的运动也不是绝对均匀的。在某一瞬间,电子云的分布可能会发生瞬时的、不均匀的起伏,导致正负电荷中心出现瞬时的、临时的分离,产生一个“瞬时偶极”。这个瞬时偶极会诱导邻近的分子也产生一个相应的瞬时偶极,这两个瞬时偶极之间相互吸引,便产生了色散力。这个过程是瞬间发生且不断变化的。
- 影响因素:主要取决于分子的极化率。分子越大,电子云越多、越松散,其电子云就越容易被扭曲(即极化率越高),产生瞬时偶极的能力就越强,因此色散力也就越大。例如,卤素单质(F₂, Cl₂, Br₂, I₂)的熔沸点随分子量增大而升高,就是色散力增大的直接体现。
最后,总结范德华力的核心特性:
- 本质:一种物理的、静电性质的吸引力。
- 强度:通常比化学键弱1到2个数量级,约为每摩尔几个到几十个千焦。
- 作用范围:作用范围很短,通常随分子间距离的增大而迅速衰减(与距离的6次方成反比)。
- 加和性:范德华力不具有方向性和饱和性,它们在一定范围内具有加和性。
- 宏观影响:范德华力是决定物质凝聚态(液态和固态)存在的主要原因之一。分子间范德华力越强,克服分子间作用力使其分开(如气化)所需的能量就越多,因此物质的熔点和沸点就越高。