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范德華力的本質(zhì)到底是什么呢？

范德華力的本質(zhì)到底是什么呢？

原子與原子之間以及離子與離子之間是依靠化學(xué)鍵結(jié)合成分子的，而微觀分子又是怎樣聚集成宏觀物質(zhì)的呢？為什么在溫度足夠低時(shí)許多氣體會(huì)凝聚為液體，甚至凝固為固體？是怎樣的吸引力使這些分子凝聚在一起的？這是科學(xué)家繼研究化學(xué)鍵后探討的又一問題。離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵是分子內(nèi)原子間比較強(qiáng)的相互作用，鍵能約為100~ 800kJ/mol。事實(shí)上，在分子間也存在著一種相互作用，不過比較弱，其結(jié)合能大約只有幾到幾十千焦每摩爾。氣體分子能凝結(jié)為液體和固體，主要就靠這種分子間的作用。由于荷蘭物理學(xué)家范德華第一個(gè)提出這種相互作用，所以通常把分子間的作用力就稱為范德華力。那么范德華力是怎樣產(chǎn)生的，其本質(zhì)又是什么呢?

人們對(duì)范德華力本質(zhì)的認(rèn)識(shí)也是隨著量子力學(xué)的出現(xiàn)而逐步深入的。范德華力一般包括三個(gè)部分：取向力、誘導(dǎo)力和色散力。為了尋求范德華力的來源，先來了解分子的偶極矩和極化率。在任何一個(gè)分子中都可以找到一個(gè)正電荷重心和一個(gè)負(fù)電荷重心，根據(jù)正、負(fù)電荷重心是否重合，可以把分子分為極性分子和非極性分子。正、負(fù)電荷重心不相互重合的分子叫極性分子，兩個(gè)電荷重心互相重合的分子叫非極性分子。如果我們把正電荷重心與負(fù)電荷重心距離稱為偶極長(zhǎng)，通常以d來表示，那么就可把分子的偶極矩定義為分子的偶極長(zhǎng)d和偶極上一端電荷q的乘積：

μ＝q×d?

偶極矩是一個(gè)矢量，化學(xué)上規(guī)定其方向是從正到負(fù)。由于極性分子的正、負(fù)電荷重心不重合，因此分子中始終存在著一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極，極性分子的這種固有的偶極稱為永久偶極。而非極性分子盡管正、負(fù)電荷重心重合，但由于分子內(nèi)部的原子核和電子都在不停地運(yùn)動(dòng)著，不斷地改變著它們的相對(duì)位置，在某一瞬間，分子的正電荷重心和負(fù)電荷重心會(huì)發(fā)生不重合的現(xiàn)象，這時(shí)所產(chǎn)生的偶極就是瞬時(shí)偶極。

另外，若有外電場(chǎng)作用時(shí)，由于同性相斥、異性相吸，非極性分子原來重合的正、負(fù)電荷重心被分開，極性分子原來不重合的正、負(fù)電荷重心被更進(jìn)一步分開，這種正、負(fù)電極分化的過程就稱為極化。顯然在外電場(chǎng)的影響下，非極性分子可以變?yōu)橐粋€(gè)具有偶極的極性分子，而極性分子固有偶極會(huì)進(jìn)一步增大，這種在外電場(chǎng)影響下所產(chǎn)生的偶極稱為誘導(dǎo)偶極，電場(chǎng)越強(qiáng)，分子的變形越顯著，誘導(dǎo)偶極越大。μ(誘導(dǎo)偶極矩)E(電場(chǎng)強(qiáng)度)，引入比例常數(shù)α，使μ（誘導(dǎo)偶極矩）=α ×E(電場(chǎng)強(qiáng)度)。α叫分子的誘導(dǎo)極化率，簡(jiǎn)稱極化率。作為衡量分子在電場(chǎng)作用下變形大小的標(biāo)度，極化率越大，分子的變形性也就越大。

現(xiàn)在讓兩個(gè)極性分子相互接近，由于極性分子具有偶極，偶極是電性的，自然要同極相斥，異極相吸，極性分子的正極一端轉(zhuǎn)向負(fù)極，負(fù)極一端轉(zhuǎn)向正極，發(fā)生定向極化。接近到一定距離后，排斥和吸引達(dá)到相對(duì)平衡，體系的能量達(dá)到最小值，這種靠永久偶極的取向而產(chǎn)生的作用力稱為取向力。分子的極性越大，取向力就越大；溫度越高，取向力越弱；分子間距離增大，取向力銳減。另外，極性分子與極性分子之間除了取向力外，由于極性分子的相互影響，每個(gè)分子都會(huì)發(fā)生變形，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，同時(shí)非極性分子與極性分子靠近時(shí)，在極性分子固有偶極產(chǎn)生電場(chǎng)的影響下，非極性分子被極化，也要產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，兩個(gè)分子也保持著異極相鄰的狀態(tài)。這種誘導(dǎo)偶極同極性分子的永久偶極間的作用力稱為誘導(dǎo)力。誘導(dǎo)力與極性分子偶極矩的平方成正比，與被誘導(dǎo)分子的變形性成正比(分子中各原子的半徑越大越容易變形)，而與分子間距離的7次方成反比，隨著距離的增大減弱得很快。誘導(dǎo)力與溫度無關(guān)。

事實(shí)上，任何一個(gè)分子，由于電子的運(yùn)動(dòng)和原子核的振動(dòng)都可以發(fā)生瞬時(shí)的相對(duì)位移而產(chǎn)生瞬時(shí)偶極，并進(jìn)一步誘導(dǎo)相鄰的分子也產(chǎn)生瞬時(shí)偶極，分子也產(chǎn)生瞬時(shí)偶極，兩個(gè)分子就可以靠瞬時(shí)偶極相互吸引在一起。這種由于存在“ 瞬時(shí)偶極”而產(chǎn)生的相互作用力稱為色散力(因?yàn)閺牧孔恿W(xué)導(dǎo)出的這種力的理論公式與光色散公式相似，因此把這種力稱為色散力)，色散力主要與分子的變形性有關(guān)，分子的極化率越大，色散力就越強(qiáng)，另外也與分子間距離的7次方成反比，隨著分子間距離的增大而迅速減小。

總之，在非極性分子之間，只有色散作用；在極性分子和非極性分子之間，有誘導(dǎo)作用和色散作用；在極性分子之間，則有取向、誘導(dǎo)和色散作用。這三種作用都是吸引作用，分子間力就是這三種力的總稱，也就是通常所說的范德華力。