分子间作用力的本质和影响因素

本文发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》的一篇。

1. 如何理解分子间作用力的本质也是静电作用？

    首先，在极性分子与极性分子之间，存在“取向力”。如图：

极性分子由于电子云分布不均匀，呈现两个分别带有部分正、负电荷的偶极，分子的一端显现正电性，而另一端则显现负电性。

当两个极性分子相互接近时，同极相斥，异极相吸，使分子发生相对转动，以便分子间呈“异极相邻”状态排列，这样形成的聚集状态最为稳定。

这种分子固有的偶极之间发生的静电作用，称为“取向力”。

当极性分子与非极性分子相遇时，极性分子的永久偶极（带正电荷或负电荷的一端）相当于一个外电场，可使邻近的非极性分子发生电子云变形，而产生出一个临时性的“诱导偶极”。

然后，这个“诱导偶极”就会与极性分子的“永久偶极”相互吸引而靠近、相互作用，这种作用称为“诱导力”。

值得一提的是，两个邻近的极性分子之间，除取向力外，也含有诱导力的成分。

请你以水分子为例自己画图研究一下。

也许大家要问，那非极性分子与非极性分子间又是怎样发生静电作用的呢？

比如，CCl₄是我们熟知的溶剂，常温下它呈液态，说明分子间还是存在一定相互作用的。（若没有相互作用力，分子间距离不会那么近，应该是理想气体状态——能够离多远就离开多远）

非极性分子与非极性分子间，是靠整个分子内的电子云在某一瞬间分布的不均衡性所产生的“瞬间偶极”相互作用的。

这类作用力叫“色散力”。

瞬间偶极存在的时间虽然很短，但却在每一个瞬间不断地重复发生着。

因此邻近的分子（不论是极性分子还是非极性分子）间始终存在着色散力，并且它在分子间作用力中占有相对更大的比重。

显然，分子越大，其电子云瞬间分布的不均衡性就大，色散力就越强。

综上所述：

在非极性分子之间只有色散力；

在极性分子和非极性分子之间既有色散力又有诱导力；

而在极性分子之间，取向力、诱导力、色散力三者并存。

不论哪一类作用力，其本质都是静电作用。

2. 影响分子间作用力强弱的因素主要有哪些？

通常可以用物质（指由分子构成的物质）熔点、沸点的高低衡量分子间作用力的强弱。

研究认为，影响分子间作用力强弱的主要因素有如下三个：

一是相对分子质量的大小。

一般的，相对分子质量大的分子，其电子多，分子也大，电子云变形性就大。

根据前边的叙述，由于在分子间作用力中，色散力占了很大比重，故一般情况下，组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，则分子间作用力越强，相应的，物质的熔点、沸点越高。

例如卤素单质，它们均为由分子构成的物质，其熔点和沸点的高低取决于分子间作用力的强弱。

由于这些分子均无极性，分子的形状又十分相似，故分子间力的强弱主要取决于相对分子质量的大小。

随着卤素核电荷数的增大，卤素单质的相对分子质量增大，于是分子间力增强，熔点、沸点就逐渐升高。

另外我们注意到，一般由小分子（H₂O、CO₂、Cl₂、CH₄等）构成的物质常温下均为气态或液态，主要是因为其相对分子量太小。

而高分子化合物（如聚乙烯、聚氯乙烯、涤纶、橡胶、有机玻璃等）则多呈固态。

第二个影响因素是分子的极性。

根据前面关于分子间作用力本质的分析可知，对于相对分子质量相当、分子形状也相似的分子来说，具有极性的分子其分子间力肯定要比非极性分子的分子间力要强。

比如，N₂ 和CO，它们相对分子质量均为28，分子的形状也很相似，N₂分子无极性而CO分子则具有极性，所以CO分子间作用力应该比N₂强。

N₂的沸点-196℃、CO的沸点-191℃可以证实这一推测。

第三个影响因素是分子的形状。

一般说来，其它条件相当的情况下，分子的形状越复杂（一般指表面积越大），分子间作用力越强。

例如，碳氢化合物（烃类化合物）中，有很多所谓“同分异构体”，即分子组成相同而空间结构不同的物质。

如同样是C₅H₁₂的戊烷分子，就有如下三种不同的结构：

你认为这三种结构不同的戊烷，哪一个沸点高？哪一个沸点低呢？

我们知道，同样组成的物体，其形状越趋向球型表面积越小。

所以不难想象，正戊烷、异戊烷、新戊烷中，其表面积依次减小，故分子间力依次减弱。

查阅数据手册可知，三者的沸点依次是：36.1℃、27.9℃、9.5℃。