范德华力

分子间的成键 - 范德华力

本页阐述两种较弱的分子间吸引力——范德华色散力和偶极子-偶极子吸引力。如果你对氢键也有兴趣 ，可以点击它在页面底部的链接。

分子间的吸引力是什么?

分子间成键与分子内成键的比较

分子间 的吸引力指的是分子与它邻近分子之间的吸引力。而分子内的吸引力指的是维持单个分子结构的吸引力(譬如共价键)。这两个词很相近，为了避免混淆，我们决定放弃使用"分子内"这一个词，它将不会再出现于本站中。

无论何种分子皆具有分子间的吸引力，只不过某些种类的分子其分子间的吸引力强一些，某些种类的分子其分子间的吸引力弱一

)这类分子间的吸引力非常弱小的分子，当分子些。即使是氢(H

2

的热运动减慢后，其分子间的吸引力也足以使分子聚集在一起形成液体，甚至是固体。

氢的分子间吸引力非常弱小，当温度下降到21 K (-252°C)之后，氢原子才能在分子间吸引力的作用下凝结为液体。氦的分子间吸引力甚至更弱——当温度下降到4 K (-269°C)以后，才会在分子间吸引力的作用下凝结为液体。

范德华力:色散力

色散力(本页将要介绍的两种范德华力中的一种)也叫“伦敦力”(第一个提出它的产生原因的人叫夫瑞斯·伦敦)。

范德华色散力的来源

不断变动的偶极

范德华色散力与电子的运动有关。像氢原子这样电子对称分布的分子，我们找不出哪个方向上电子呆的时间多一些(或少一些)从而产生了局部的负电荷(或正电荷)。但是，这一观点是建立在平均意义(统计)之上的。

分子，也上图表示的是一个电子对称分布的小分子——可能是H

2

等分子。颜色的均匀分布用来代表在平均意义(统计)有可能是Br

2

上电子的均匀分布。

但电子在不断地变换其位置，在任何时刻，电子都可能位于分子的某一端，使那一端呈现- ，而分子的另一端便会由于临时的电子缺乏而呈现出 +

。

注意： ""

(读做delta) 代表 "略微" ——因此 "+" 代表 "略微带正电" 。

瞬息之间，电子又可能移动到了分子的另一端，使分子的两极发生颠倒。

电子在分子中的持续运动导致了分子极性的迅速变化，这种变化存在于任何分子中，包括电子分布最为匀称的分子以及单原子分子(惰性气体分子，比如由单个氦原子构成的氦分子)。

氦的两个电子可能在同一时刻出现在原子的同一侧面，那时的原子核不被电子所完整的覆盖。

临时偶极如何使分子间产生吸引

想象一个分子某一时刻完全没有极性，它靠近另一个拥有极性的分子。(分子在某一时刻完全没有极性的可能性十分微小，但我们这样假设能方便理解！绝大多数情况，一个分子在某一时刻比另一个分子的极性更弱——并由此受到另一个分子的影响)

当上图右边没有极性的分子靠近左边有极性的分子时，它的电子被左边分子略微带正电的一端所吸引。

这将导致右边的分子形成诱导偶极，于是，右边分子的-端正对着左边分子的+

端。

瞬息之间，左边分子的电子可能已运动到分子的右侧，它在运动的过程中会对右边分子的电子产生排斥。

于是两个分子的极性发生了颠倒，但仍然是一个分子的+端吸引着另一个分子的-端。只要分子间的距离足够近，两个分子的极

性将始终同步地不断变化，因此两个分子间的吸引力将始终存在。

分子极性的同步变化不仅出现在两个分子之间，也出现在数量庞大的分子之间，只要分子间的距离足够近，电子的运动便会相互影响，极性便会同步变化。

上图显示了整个晶格中的分子如何通过范德华色散力连接形成固体。瞬息之后，电子在上图的分布将发生变化，分子的极性也会随之改变，但不变的是分子间的吸引力——因为极性的所有改变都是同步的。

色散力的强度

分子间色散力的强度比分子内共价键的强度弱很多。但我们不能给出其准确的数值，因为分子间色散力的强度会随分子的大小和形状而改变。

分子的大小如何影响色散力的强度

以下是惰性气体的沸点：

氦-269°C

氖-246°C

氩-186°C

氪-152°C

以上的所有元素皆能以单原子方式形成分子。

惰性气体元素的沸点随原子序数的增加而上升，是因为随着原子序数的增加，元素的电子数量将增加，原子半径也将扩大。更多的电子、更大的电子活动范围(原子半径)意味着平均意义(统计)上更强的临时性偶极——也就是更强的范德华色散力。

由于具有更强的临时性偶极，氙分子比氖分子更有"粘性"。氙分子相互间的分离温度(沸点)比氖分子相互间的分离温度(沸点)高得多。

这就是为什么(在其它所有条件相同的情况下)大分子物质的沸点比小分子物质高。大分子拥有更多的电子和更大的电子运动范围——因此它更富有"粘性"。

分子的形状如何影响色散力的强度

色散力与分子的形状也有关系。色散力源于电子的运动，比起拥有相同数量电子的短胖分子，细长分子可产生更强的临时性偶极。

另外，细长的分子相互间可以靠的更近——当分子靠得更近时，所产生的吸引力会更强，吸引的效果也会更明显。

举例来说，丁烷和2-甲基丙烷是两种化学式(C 4H 10)相同的碳氢化合物分子，它们的差别在于它们原子排列上的不同。丁烷的碳原子排列成单链，而2-甲基丙烷的碳原子则排列成有分支的短链。

丁烷的沸点比2-甲基丙烷高是因为它的色散力更强。丁烷的分子更长(因此可建立更强的临时性偶极)，且其分子与分子间排列的紧密程度比起又短又胖的2-甲基丙烷来说更高。

氙-108°C

氡-62

°

C

范德华力：偶极子-偶极子间的相互作用

警告！我使用的是最新的教学大纲，大多数旧的教学大纲把偶极子-偶极子间的相互作用力看成是有别于范德华力的另一种力。这类教学大纲

中，范德华力单指色散力，偶极子-偶极子间的相互作用力不属于范德华力。

最新的教学大纲中，一切分子间的吸引力皆属于范德华力。几种范德

华力先后在不同的时期被不同的人所解释。例如，偶极子-偶极子间的作用力由凯索姆于1912年首先提出，色散力由伦敦于1930年首先提出。

教学大纲之间的矛盾并不是什么大问题，我们所真正关心的是学生能理解每一种力。但很明显，你必须清楚试题中使用的术语所代表的含义。

查阅你的教学大纲。

如果你使用的是英国16岁到18岁年龄段的教学大纲(英文原站)，那么点击此链接可得知如何获取你所使用的教学大纲。

HCl一类的分子拥有永久性的偶极，因为氯比氢的电负性更高。这些永久性的偶极将会增加分子间的吸引力，使它们间的吸引比单纯依赖色散力时更强。

注意：如果你对电负性和极性分子不熟悉，那么请在继续阅读本页内容之前查看此链接。

我们知道，所有种类的分子之间都存在着色散力。偶极子-偶极子相互作用力与色散力的关系不是非彼即此的，偶极子-偶极子相互作用力和色散力共同增加了分子间的吸引强度。同等条件下，拥有永久性偶极的分子(比单纯拥有临时性变化偶极的分子)具有更高的沸点。

出乎意料的是，偶极子-偶极子相互作用力的吸引强度明显低于色散力的强度，为了能看清楚偶极子-偶极子相互作用力的吸引效果，我们不得不选择两个电子数目相等、形状大小几乎一致的分

子进行比较。乙烷(CH

3CH

3

)和氟甲烷(CH

3

F)就是这样的分子：