一級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)輔導(dǎo):分子間力

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分子間力有取向力、誘導(dǎo)力和色散力3種類型。
    1.取向力
    相同元素兩原子間形成的共價(jià)鍵為非極性鍵,不同元素原子間形成的共價(jià)鍵為極性鍵。極性鍵中,共用的電子對(duì)偏向電負(fù)性大的原子,因此電負(fù)性大的原子帶部分負(fù)電荷(δ-),而電負(fù)性小的原子則帶部分正電荷(δ+)。電負(fù)性差異越大,鍵的極性將越大。多原子分子的極性除了與各鍵的極性有關(guān)外,還決定于分子空間構(gòu)型。若分子對(duì)稱性很高,使各鍵極性相互抵消,則分子將無(wú)極性。如C—O是極性鍵,但CO2是直線型對(duì)稱分子,兩鍵極性相消是非極性分子。H2O中H—O是極性鍵,它是V型結(jié)構(gòu),鍵的極性不能抵消,因而H2O分子有極性,是極性分子。
    極性分子可視作偶極子,其極性用偶極矩μ=qd來(lái)衡量,即正或負(fù)電荷電量(q)與電荷中心間距d的乘積。μ一般在10-30C·m數(shù)量級(jí)。μ=0的分子為非極性分子,μ越大,分子極性越大。測(cè)定分子偶極矩是確定分子結(jié)構(gòu)的一種實(shí)驗(yàn)方法。德拜(P.J.W Debye,荷)因創(chuàng)立此方法而榮獲1936年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
    極性分子相互靠近時(shí),因分子的固有偶極之間同極相斥異極相吸,使分子在空間按一定取向排列,使體系處于更穩(wěn)定狀態(tài)。這種固有的偶極間的作用力為取向力,其實(shí)質(zhì)是靜電力。
    2.誘導(dǎo)力
    極性分子與非極性分子相遇時(shí),極性分子的固有偶極產(chǎn)生的電場(chǎng)作用力使非極性分子電子云變形,且誘導(dǎo)形成偶極子,固有偶極子與誘導(dǎo)偶極子進(jìn)一步相互作用,使體系穩(wěn)定。這種作用力為誘導(dǎo)力。這種作用力同樣存在于極性分子間,使固有偶極矩加大。
    3.色散力
    由于分子中電子和原子核不停地運(yùn)動(dòng),非極性分子的電子云的分布呈現(xiàn)有漲有落的狀態(tài),從而使它與原子核之間出現(xiàn)瞬時(shí)相對(duì)位移,產(chǎn)生了瞬時(shí)偶極,分子也因而發(fā)生變形。分子中電子數(shù)愈多、原子數(shù)愈多、原子半徑愈大,分子愈易變形。瞬時(shí)偶極可使其相鄰的另一非極性分子產(chǎn)生瞬時(shí)誘導(dǎo)偶極,且兩個(gè)瞬時(shí)偶極總采取異極相鄰狀態(tài),這種隨時(shí)產(chǎn)生的分子瞬時(shí)偶極間的作用力為色散力(因其作用能表達(dá)式與光的色散公式相似而得名)。雖然瞬時(shí)偶極存在暫短,但異極相鄰狀態(tài)卻此起彼伏,不斷重復(fù),因此分子間始終存在著色散力。無(wú)疑,色散力不僅存在于非極性分子間,也存在于極性分子間以及極性與非極性分子間。
    這3種分子間力統(tǒng)稱為范德華力。它是在人們研究實(shí)際氣體對(duì)理想氣體的偏離時(shí)提出來(lái)的。分子間力有以下特點(diǎn):①分子間力的大小與分子間距離的6次方成反比。因此分子稍遠(yuǎn)離時(shí),分子間力驟然減弱。它們的作用距離大約在300~500pm范圍內(nèi)。分子間既保持一定接觸距離又“無(wú)”電子云的重疊時(shí),相鄰兩分子中相互接觸的那兩個(gè)原子的核間距之半稱原子的范德華半徑。氯原子的范德華半徑為180pm,比其共價(jià)半徑99pm大得多。②分子間力沒(méi)有方向性和飽和性。③分子間力作用能一般在2~20kJ·mol-1,比化學(xué)鍵能(100~600kJ·mol-1)小約1~2數(shù)量級(jí)。
    鹵素分子物理性質(zhì)很容易用分子間力作定性的說(shuō)明:F2,Cl2,Br2,I2都是非極性分子。順序分子量增大,原子半徑增大,電子增多,因此色散力增加,分子變形性增加,分子間力增加。所以鹵素分子順序熔、沸點(diǎn)迅速增高,常溫下F2,Cl2是氣體,Br2是液體而I2則是固體。不過(guò),HF,H2O,NH3 3種氫化物的分子量與相應(yīng)同族氫化物比較明顯地小,但它們的熔、沸點(diǎn)則反常地高,其原因在于這些分子間存在氫鍵。