分散力

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简介

分散力源于极化率的波动。它是一种暂时的效应。惰性气体不形成任何化学键，但在低温下相互吸引并凝聚成液体形式。因此，原子之间也存在某种类型的吸引力。奥地利物理学家弗里茨·伦敦在1930年提出了一个理论，该理论指出，当两个分子彼此靠近时，一个分子中电子的流动或运动会干扰另一个分子中电子的运动。它们最终导致吸引力的产生。

为了更好地理解这个理论，我们以一个氦分子为例，然后用一个偶极子靠近它。观察到氦原子中的电子被偶极子的正端吸引。因此，这表明氦原子由于偶极子分子的存在而被极化，因此在氦原子中产生了诱导偶极子。

伦敦力的定义

所有原子和分子都存在分散力。当两个原子或分子彼此靠近时，它们之间存在的弱的分子间吸引力就是伦敦力。这种力的产生是由于两个分子中电子靠近所致。因此，它是一种量子力。它是一种弱范德华力，会导致非极性分子凝结成液体。这种效应也可能存在于原子中，但在化合物中更为突出，因为它包含不同类型的原子。由于这种效应，导致了暂时的极化。这种力在易极化分子中表现得较为明显。

这种力的影响取决于分子的尺寸。对于小分子，这种力非常弱，而对于大分子，这种力非常强。造成这种效应的原因是，对于较大的分子，其电子与原子核的距离比小分子中的电子与原子核的距离要远，后者中的电子与原子核紧密结合。由于分子被极化，因此它也会影响熔点和沸点。

• 例如，考虑卤素分子氯，Cl2 和溴，Br2。尽管两者都是卤素分子，但它们的性质却有所不同，这是由于伦敦力的缘故。氯是气体，而溴是液体。众所周知，溴比氯分子更大，因此溴中有效的伦敦力会更高，使其凝结形成液体。

氢键

氢键也是一种分子间相互作用。这种力比范德华力强。与电负性原子键合的氢原子倾向于或具有很强的亲和力，吸引具有孤对电子的原子中的电子。它将进一步导致键的形成，这种键被称为氢键。这是因为与电负性原子结合的氢原子带正电荷。原子总是倾向于通过获取电子来消除其电荷。水，H2O 是表现出氢键的分子最好的例子，因为它包含一个与电负性原子氧结合的氢原子。这也是水分子在很大温度范围内以液态形式存在的原因。

OpenStax College，水分子之间的210个氢键，CC BY 3.0

DNA 的双螺旋结构也归因于核苷酸的含氮碱基之间的氢键。

偶极-偶极

存在于具有永久偶极或极性分子的分子中的吸引力是偶极-偶极相互作用。偶极子是指包含两种电荷（正电荷和负电荷）的分子。因此，在这样的极性分子中，一个分子的正侧会被另一个分子的负侧吸引。因此，当两个偶极子之间存在接近关系时，尤其是在它们以液态形式存在时，就会出现相互作用。这种相互作用也存在于含有部分正电荷和负电荷的容器中的分子中。例如，在氯化氢 HCl 中，当两个氯化氢分子靠近时，就会存在偶极-偶极相互作用。其中，带负电荷的氯会被带正电荷的氢吸引。

OpenStax，CNX Chem 10 01 DispForces，CC BY 4.0

离子-离子相互作用

存在于带相反电荷的离子之间的吸引力是离子-离子相互作用。它将导致离子键的形成。例如，在氯化钠 NaCl 的饱和溶液中，这种相互作用存在于钠离子 Na+ 和氯离子 Cl- 之间。这种相互作用将进一步导致氯化钠晶体或盐的形成。因此，它是沉淀反应中常见的相互作用。

Rhannosh，IonicBondingRH11，CC BY-SA 3.0

这种相互作用取决于库仑力，

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

其中 Z1 和 Z2 是电荷，r 是离子之间的距离。因此，当两个离子之间的距离增加时，相互作用会减弱。

伦敦分散力示例

伦敦分散力存在于非极性分子中。它在不包含任何偶极矩的分子中可见。它存在于以下分子中，

• 例如氖、氩等惰性气体。

• 氯分子，Cl2。

• 碘分子，I2。

• 溴分子，Br2。

• 氢分子，H2。

伦敦分散力公式

弗里茨·伦敦提出了一个用于表示伦敦力的公式。通过此公式，可以计算相互作用能。公式为：

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

其中 α'1 和 α'2 是极化率，I1 和 I2 分别是分子 1 和 2 的电离能。r 项是分子之间的距离。

结论

不同分子中存在多种相互作用。这是由于静电力的作用。当非极性分子或原子彼此靠近时，它们之间会存在吸引力。这就是伦敦力。与其他弱相互作用相比，它是最强的一种力。惰性气体表现出这种类型的相互作用。氢键也是一种存在于氢原子与具有孤对电子的原子之间的相互作用。它存在于水分子中。另一种存在于两个离子之间的相互作用是离子-离子相互作用。库仑引力决定了离子-离子相互作用的强度。

常见问题

1. 基于伦敦力，惰性气体的熔点和沸点顺序是什么？

由于伦敦力很大程度上取决于分子的尺寸。较大的分子由于伦敦力而彼此之间强烈吸引，因此需要大量能量才能打破它们。因此，惰性气体的熔点和沸点顺序为：Xe > Kr > Ar > Ne > He

2. 什么是分子间和分子内氢键？

存在于两个不同分子之间的氢键是分子间氢键。例如，在水分子中。存在于同一分子中的氢键是分子内氢键。例如，在邻硝基苯酚分子中，存在分子内氢键。

3. 哪个分子具有最强烈的分散力？

在碘分子 I2 中，由于其尺寸较大，因此分散力更强。

4. 偶极矩是什么意思？

由于其电负性差异，出现在分子中两个不同原子上的特性。当存在电荷分离时就会发生这种情况。例如，HCl 的偶极矩为 0.816 D。

5. 什么是离子-偶极相互作用？

离子与中性分子之间产生的相互作用是离子-偶极相互作用。离子或极性分子与中性或非极性分子的相互作用会在该分子中诱导极性。这被称为离子-偶极相互作用。