高中化学竞赛/范德华力、氢键

分子的极性

我们在《化学选修3》课本中已经对极性分子和非极性分子已有一定的了解，并且知道

• 双原子的单质分子都是非极性分子，例如$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$，$\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$等；

• 双原子的化合物分子都是极性分子，如$\mathrm{C}\mathrm{O}$，$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$等。

类似于上述的规律。现在我们要对分子的极性进行进一步的学习。

偶极矩

对于任何一个分子，我们总能找到它的正电荷中心和负电荷中心（也有教材写作正电荷重心和负电荷重心）。如果正电荷中心和负电荷中心重合，那么这个分子就是非极性分子；如果不重合，那么就是极性分子。 Template:Aside 在极性分子中，正电荷中心和负电荷中心之间的距离称为偶极长，用符号$d$表示。正电荷中心或负电荷中心所带的电量我们常用$q$表示。那么我们可以定义一个度量极性大小的物理量——偶极矩$\mu =q\cdot d$。偶极矩的单位常用德拜 Template:Wikipedia （$\text{D}$）表示，$1\text{D}=3.33564\times 10^{-30}\text{C}\cdot \text{m}$。当然，偶极矩在非极性分子中也是适用的，只是$d=0$进而$\mu =0$而已。

偶极矩是一个矢量，具有大小和方向。与物理相反，化学中的偶极矩的方向是从正电荷到负电荷。

实验测得一些分子的偶极矩如下表：

分子	偶极矩（$\text{D}$）	分子	偶极矩（$\text{D}$）	分子	偶极矩（$\text{D}$）
$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$	0	$\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{H}$	5.884(1)	$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$	1.8546(40)
$\mathrm{N}{\phantom{A}}_2$	0	$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4$	0	$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}$	0.97833
$\mathrm{P}{\phantom{A}}_4$	0	$\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$		$\mathrm{C}\mathrm{O}$	0.10980
$\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$	0	$\mathrm{H}\mathrm{F}$	1.826178	$\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$	0
$\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$	0.53373	$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$	1.1086(3)	$\mathrm{C}\mathrm{S}{\phantom{A}}_2$	0
$\mathrm{S}{\phantom{A}}_8$	0	$\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}$	0.827(3)	$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$	1.63305
$\mathrm{F}{\phantom{A}}_2$	0	$\mathrm{H}\mathrm{I}$	0.448(1)	$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}$	2.985188

偶极的改变

在上文中所提到的偶极矩是分子自始至终存在的，我们把它称为固有偶极或永久偶极。

在外电场的作用下，（极性或非极性）分子也可能产生一个偶极矩，成为一个具有一定偶极的极性分子。我们将这样的偶极称为诱导偶极。其偶极矩称为诱导偶极矩，用符号$\mathrm{\Delta }\mu$表示。

即使没有外加电场，由于分子中的原子核以及核外电子在不停的运动，也会产生一个瞬间的正电荷中心与负电荷中心不重合的情况，称为瞬间偶极，其偶极矩被称为瞬间偶极矩。分子越大，越容易变形，瞬间偶极矩越大。

范德华力

取向力

取向力

取向力是极性分子因固有偶极而产生的静电引力。右图是水分子之间的取向力示意图。通过物理知识（两个点电荷之间的静电引力$F=k\frac{Qq}{r^2}$）我们可以猜测：取向力的大小与分子的偶极矩和距离有关。事实上，取向力与下面这三个因素相关：取向力与分子的偶极矩的平方成正比，与热力学温度成反比，与分子间距的七次方成反比。

诱导力

在极性分子的固有偶极诱导下，临近它的分子（无论是极性分子还是非极性分子）会产生诱导偶极，分子间的诱导偶极与固有偶极之间的电性引力称为诱导力。诱导力与极性分子的偶极矩的平方成正比，与被诱导分子的变形性（常用物理量“极化率”来表示，符号为$\alpha$）成正比，与分子间距的七次方成反比。但与取向力不同的是，诱导力与温度无关。

色散力

色散力是由于瞬间偶极而产生的相互作用力。色散力没有方向，因为分子的瞬时偶极矩的矢量方向时刻在变动之中，瞬时偶极矩的大小也始终在变动之中。量子力学的计算表明，分子的变形性越大，色散力越大。同样的，色散力与分子间距的七次方成反比，此外还与相互作用的分子的电离势有关。

范德华力

范德华力是取向力、诱导力、色散力的总称。一般来说，色散力占范德华力中的极大部分，但水分子和氨分子是特例，它们的分子间作用力以取向力为主，详见下方的表格。范德华力不像共价键，没有方向性和饱和性，也不受微粒之间的方向与个数的限制。它是分子（或原子）之间永恒存在的一种作用力，比化学键的作用力小一至二个数量级。

分子	取向力/ $\text{kJ}\cdot {\text{mol}}^{-1}$	诱导力/ $\text{kJ}\cdot {\text{mol}}^{-1}$	色散力/ $\text{kJ}\cdot {\text{mol}}^{-1}$	范德华力/ $\text{kJ}\cdot {\text{mol}}^{-1}$
$\mathrm{A}\mathrm{r}$	0	0	8.50	8.50
$\mathrm{C}\mathrm{O}$	0.003	0.008	8.75	8.75
$\mathrm{H}\mathrm{I}$	0.025	0.113	25.87	26.00
$\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}$	0.69	0.502	21.94	23.11
$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$	3.31	1.00	16.83	21.14
$\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$	13.31	1.55	14.95	29.60
$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$	36.39	1.93	9.00	47.31