范德華力

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更新時間: 2013-09-04

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范德華是一種化學名詞,是指存在於分子間的一種吸引力。對於組成和結構相似的物質,范德華力一般隨著相對分子質量的增大而增強。

范德華力 -范德華力

Van Der Waals Force



分子間作用力又被稱為范德華力,按其實質來說是一種電性的吸引力,因此考察分子間作用力的起源就得研究物質分子的電性及分子結構。

范德華力分子間作用力示意圖

 

分子間作用力分類

定義:范德華力(又稱分子作用力)產生於2 分子或原子之間的靜電相互作用。其能量計算的經驗方程為:U =B/r 12- A/r 6 (對於2 個碳原子間,其參數值為B =11.5 ×10-6 kJnm12/mol ;A=5.96 × 10-3 kJnm6/mol;不同原子間A、B 有不同取值 12和6為公式的上角標,百度詞條無法區別上下腳標)當兩原子彼此緊密靠近電子云相互重疊時,發生強烈排斥,排斥力與距離12 次方成反比。圖中低點是范德華力維持的距離作用力最大,稱范德華半徑。  
[1]范德華力又可以分為三種作用力:誘導力、色散力和取向力。 

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范德華力1

 

 

 

 

 

誘導力
  誘導力(induction force)在極性分子和非極性分子之間以及極性分子和極性分子之間都存在誘導力。由於極性分子偶極所產生的電場對非極性分子發生影響,使非極性分子電子云變形(即電子云被吸向極性分子偶極的正電的一極),結果使非極性分子的電子云與原子核發生相對位移,本來非極性分子中的正、負電荷重心是重合的,相對位移后就不再重合,使非極性分子產生了偶極。這種電荷重心的相對位移叫做「變形」,因變形而產生的偶極,叫做誘導偶極,以區別於極性分子中原有的固有偶極。誘導偶極和固有偶極就相互吸引,這種由於誘導偶極而產生的作用力,叫做誘導力。在極性分子和極性分子之間,除了取向力外,由於極性分子的相互影響,每個分子也會發生變形,產生誘導偶極。其結果使分子的偶極距增大,既具有取向力又具有誘導力。在陽離子和陰離子之間也會出現誘導力。   誘導力與極性分子偶極矩的平方成正比。誘導力與被誘導分子的變形性成正比,通常分子中各原子核的外層電子殼越大(含重原子越多)它在外來靜電力作用下越容易變形。相互作用隨著1/r6 而變化,誘導力與溫度無關。其公式:  
α為極化率。

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范德華力誘導力公式

 

 

 

 色散力
  色散力(dispersion force 也稱「倫敦力」)所有分子或原子間都存在。是分子的瞬時偶極間的作用力,即由於電子的運動,瞬間電子的位置對原子核是不對稱的,也就是說正電荷重心和負電荷重心發生瞬時的不重合,從而產生瞬時偶極。色散力和相互作用分子的變形性有關,變形性越大(一般分子量愈大,變形性愈大)色散力越大。色散力和相互作用分子的電離勢有關,分子的電離勢越低(分子內所含的電子數愈多),色散力越大。色散力的相互作用隨著1/r6 而變化。其公式為:  
I1 和I2 分別是兩個相互作用分子的電離能,α1 和α2 是它們的極化率。
在極性分子間有色散力,誘導力和取向力;在極性分子與非極性分子間有色散力和誘導力;在非極性分子間只有色散力。實驗證明,對大多數分子來說,色散力是主要的;只有偶極矩很大的分子(如水),取向力才是主要的;而誘導力通常是很小的。

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范德華力色散力公式


 

 

取向力
  取向力(orientation force)取向力發生在極性分子與極性分子之間。由於極性分子的電性分佈不均勻,一端帶正電,一端帶負電,形成偶極。因此,當兩個極性分子相互接近時,由於它們偶極的同極相斥,異極相吸,兩個分子必將發生相對轉動。這種偶極子的互相轉動,就使偶極子的相反的極相對,叫做「取向」。這時由於相反的極相距較近,同極相距較遠,結果引力大於斥力,兩個分子靠近,當接近到一定距離之後,斥力與引力達到相對平衡。這種由於極性分子的取向而產生的分子間的作用力,叫做取向力。取向力與分子的偶極矩平方成正比,即分子的極性越大,取向力越大。取向力與絕對溫度成反比,溫度越高,取向力就越弱關相互作用隨著1/r6 而變化。其公式為:  
[2]μ1,μ2 為兩個分子的偶矩極; r 為分子質心間的距離, k 為Boltzmann 常數,T 為熱力學溫度,負值表示能量降低。

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范德華力取向力公式

 

 

三種力的關係
  極性分子與極性分子之間,取向力、誘導力、色散力都存在;極性分子與非極性分子之間,則存在誘導力和色散力;非極性分子與非極性分子之間,則只存在色散力。這三種類型的力的比例大小,決定於相互作用分子的極性和變形性。極性越大,取向力的作用越重要;變形性越大,色散力就越重要;誘導力則與這兩種因素都有關。但對大多數分子來說,色散力是主要的。實驗證明,對大多數分子來說,色散力是主要的;只有偶極矩很大的分子(如水),取向力才是主要的;而誘導力通常是很小的。極化率α反映分子中的電子云是否容易變形。雖然范德華力只有0.4—4.0kJ/mol,但是在大量大分子間的相互作用則會變得十分穩固。比如C—H 在苯中范德華力有7 kJ/mol,而在溶菌酶和糖結合底物范德華力卻有60kJ/mol,范德華力具有加和性。 

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作用類型 能量和距離關係 
荷電基團靜電作用 1/r 
離子—偶極子 1/r2 
離子—誘導偶極 1/r4 
偶極子—偶極子 1/r6取向力化學 
偶極子—誘導偶極子 1/r6誘導力 
誘導偶極子-誘導偶極子 1/r6色散力 
非鍵排斥 1/r12—1/r6 

與氫鍵的關係
  氫鍵的本質是強極性鍵(A-H)上的氫核 與電負性很大的、含孤電子對並帶有部分負電荷的原子B之間的靜電引力。氫原子可以同時與2個電負性很大、原子半徑較小且帶有未共享電子對的原子(如O、N、F等)相結合。在X—H…Y,X、Y都是電負性很大、原子半徑較小且帶有未共享電子對的原子。X—H中,X有極強的電負性,使得X—H鍵上的電子云密度偏向於X一端,而H顯示部分正電荷;另一分子中的Y上也集中著電子云而顯負性,它與H以靜電力相結合,這就是氫鍵的本質。所以一般把形成氫鍵的靜電引力也稱為范德華力,所不同的的是它具有飽和性與方向性。這種力一般在40kJ/mol以下,比一般的鍵能小得多。   H   . . /   H H…:O H H   \ / \ / /   :O: H…:N—H…:N—H   \ \   H H   從物理力學角度講可分為引力和斥力   引力:   ①當外力欲使物體拉伸時,組成物體的大量分子間將表現出引力以抗拒外界對它的拉伸。   ②分子間雖然有空隙,大量分子卻能聚在一起形成固體和液體,說明分子間存在引力。   ③固體保持一定的形狀,說明分子間有引力。   斥力:   ①當外力欲使物體壓縮時,組成物體的大量分子間將表現出斥力以抗拒外界對它的壓縮。   ②分子間有引力,分子卻沒有緊緊吸在一起,而是還存在著空隙,說明分子間有斥力。

影響分子間作用力大小的因素
  氫鍵、鍵的極性、相對分子量。

 

大小與物理性質
  組成和結構相似的物質,相對分子質量越大,分子間作用力越大,克服分子間引力使物質熔化和氣化就需要更多的能量,熔、沸點越高.但存在氫鍵時分子晶體的熔沸點往往反常地高.

 

      在物質的聚集態中,分子間存在著一種較弱的吸引力,作用能的大小一般只有每摩爾幾千焦至幾十千焦,比化學鍵的鍵能小1~2個數量級,亦稱范德華引力或范氏力。它由三部分作用力組成:①當極性分子相互接近時,它們的固有偶極將同極相斥而異極相吸,定向排列,產生分子間的作用力,叫做取向力。偶極矩越大,取向力越大。②當極性分子與非極性分子相互接近時,非極性分子在極性分子的固有偶極的作用下,發生極化,產生誘導偶極,然後誘導偶極與固有偶極相互吸引而產生分子間的作用力,叫做誘導力。當然極性分子之間也存在誘導力。③非極性分子之間,由於組成分子的正、負微粒不斷運動,產生瞬間正、負電荷重心不重合,而出現瞬時偶極。這種瞬時偶極之間的相互作用力,叫做色散力。分子量越大,色散力越大。當然在極性分子與非極性分子之間或極性分子之間也存在著色散力。范德華引力是存在於分子間的一種不具有方向性和飽和性,作用範圍在幾百個皮米之間的力。它對物質的沸點、熔點、氣化熱、熔化熱、溶解度、表面張力、粘度等物理化學性質有決定性的影響。

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