分散力

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簡介

分散力源於極化率的波動。它是一種暫時的效應。惰性氣體不形成任何化學鍵，但在低溫下相互吸引並凝聚成液體形式。因此，原子之間也存在某種型別的吸引力。奧地利物理學家弗裡茨·倫敦在1930年提出了一個理論，該理論指出，當兩個分子彼此靠近時，一個分子中電子的流動或運動會干擾另一個分子中電子的運動。它們最終導致吸引力的產生。

為了更好地理解這個理論，我們以一個氦分子為例，然後用一個偶極子靠近它。觀察到氦原子中的電子被偶極子的正端吸引。因此，這表明氦原子由於偶極子分子的存在而被極化，因此在氦原子中產生了誘導偶極子。

倫敦力的定義

所有原子和分子都存在分散力。當兩個原子或分子彼此靠近時，它們之間存在的弱的分子間吸引力就是倫敦力。這種力的產生是由於兩個分子中電子靠近所致。因此，它是一種量子力。它是一種弱範德華力，會導致非極性分子凝結成液體。這種效應也可能存在於原子中，但在化合物中更為突出，因為它包含不同型別的原子。由於這種效應，導致了暫時的極化。這種力在易極化分子中表現得較為明顯。

這種力的影響取決於分子的尺寸。對於小分子，這種力非常弱，而對於大分子，這種力非常強。造成這種效應的原因是，對於較大的分子，其電子與原子核的距離比小分子中的電子與原子核的距離要遠，後者中的電子與原子核緊密結合。由於分子被極化，因此它也會影響熔點和沸點。

• 例如，考慮鹵素分子氯，Cl2 和溴，Br2。儘管兩者都是鹵素分子，但它們的性質卻有所不同，這是由於倫敦力的緣故。氯是氣體，而溴是液體。眾所周知，溴比氯分子更大，因此溴中有效的倫敦力會更高，使其凝結形成液體。

氫鍵

氫鍵也是一種分子間相互作用。這種力比範德華力強。與電負性原子鍵合的氫原子傾向於或具有很強的親和力，吸引具有孤對電子的原子中的電子。它將進一步導致鍵的形成，這種鍵被稱為氫鍵。這是因為與電負性原子結合的氫原子帶正電荷。原子總是傾向於透過獲取電子來消除其電荷。水，H2O 是表現出氫鍵的分子最好的例子，因為它包含一個與電負性原子氧結合的氫原子。這也是水分子在很大溫度範圍內以液態形式存在的原因。

OpenStax College，水分子之間的210個氫鍵，CC BY 3.0

DNA 的雙螺旋結構也歸因於核苷酸的含氮鹼基之間的氫鍵。

偶極-偶極

存在於具有永久偶極或極性分子的分子中的吸引力是偶極-偶極相互作用。偶極子是指包含兩種電荷（正電荷和負電荷）的分子。因此，在這樣的極性分子中，一個分子的正側會被另一個分子的負側吸引。因此，當兩個偶極子之間存在接近關係時，尤其是在它們以液態形式存在時，就會出現相互作用。這種相互作用也存在於含有部分正電荷和負電荷的容器中的分子中。例如，在氯化氫 HCl 中，當兩個氯化氫分子靠近時，就會存在偶極-偶極相互作用。其中，帶負電荷的氯會被帶正電荷的氫吸引。

OpenStax，CNX Chem 10 01 DispForces，CC BY 4.0

離子-離子相互作用

存在於帶相反電荷的離子之間的吸引力是離子-離子相互作用。它將導致離子鍵的形成。例如，在氯化鈉 NaCl 的飽和溶液中，這種相互作用存在於鈉離子 Na+ 和氯離子 Cl- 之間。這種相互作用將進一步導致氯化鈉晶體或鹽的形成。因此，它是沉澱反應中常見的相互作用。

Rhannosh，IonicBondingRH11，CC BY-SA 3.0

這種相互作用取決於庫侖力，

$$\mathrm{F\:\varpropto\:-\:\frac{Z_{1}Z_{2}}{r_{2}}}$$

其中 Z1 和 Z2 是電荷，r 是離子之間的距離。因此，當兩個離子之間的距離增加時，相互作用會減弱。

倫敦分散力示例

倫敦分散力存在於非極性分子中。它在不包含任何偶極矩的分子中可見。它存在於以下分子中，

• 例如氖、氬等惰性氣體。

• 氯分子，Cl2。

• 碘分子，I2。

• 溴分子，Br2。

• 氫分子，H2。

倫敦分散力公式

弗裡茨·倫敦提出了一個用於表示倫敦力的公式。透過此公式，可以計算相互作用能。公式為：

$$\mathrm{V\:=\:-\:\frac{C}{r^{6}}\:,\:Where\:C\:=\:\frac{2}{3}\alpha\:_{1}^{'}\:\alpha\:_{2}^{'}\:\frac{I_{1}\:I_{2}}{I_{1}\:+\:I_{2}}}$$

其中 α'1 和 α'2 是極化率，I1 和 I2 分別是分子 1 和 2 的電離能。r 項是分子之間的距離。

結論

不同分子中存在多種相互作用。這是由於靜電力的作用。當非極性分子或原子彼此靠近時，它們之間會存在吸引力。這就是倫敦力。與其他弱相互作用相比，它是最強的一種力。惰性氣體表現出這種型別的相互作用。氫鍵也是一種存在於氫原子與具有孤對電子的原子之間的相互作用。它存在於水分子中。另一種存在於兩個離子之間的相互作用是離子-離子相互作用。庫侖引力決定了離子-離子相互作用的強度。

常見問題

1. 基於倫敦力，惰性氣體的熔點和沸點順序是什麼？

由於倫敦力很大程度上取決於分子的尺寸。較大的分子由於倫敦力而彼此之間強烈吸引，因此需要大量能量才能打破它們。因此，惰性氣體的熔點和沸點順序為：Xe > Kr > Ar > Ne > He

2. 什麼是分子間和分子內氫鍵？

存在於兩個不同分子之間的氫鍵是分子間氫鍵。例如，在水分子中。存在於同一分子中的氫鍵是分子內氫鍵。例如，在鄰硝基苯酚分子中，存在分子內氫鍵。

3. 哪個分子具有最強烈的分散力？

在碘分子 I2 中，由於其尺寸較大，因此分散力更強。

4. 偶極矩是什麼意思？

由於其電負性差異，出現在分子中兩個不同原子上的特性。當存在電荷分離時就會發生這種情況。例如，HCl 的偶極矩為 0.816 D。

5. 什麼是離子-偶極相互作用？

離子與中性分子之間產生的相互作用是離子-偶極相互作用。離子或極性分子與中性或非極性分子的相互作用會在該分子中誘導極性。這被稱為離子-偶極相互作用。