第一節 范德華力

分子間引力是一種存在於分子與分子之間的吸引力。分子間引力普遍存在於固體、液體和氣體分子之間,一般而言,分子間的距離越低,分子間引力越強。

分子間引力的強弱決定物質的物理性質,例如沸點和熔點。

分子間引力較弱時,分子與分子之間的距離較長,物質會以氣體的形態出現。

分子間引力較強時,分子與分子之間的距離稍為縮短,物質會以液體的形態出現。

分子間引力更強時,分子與分子之間的距離更為縮短,物質會以固體的形態出現。

分子間引力主要包括范德華力偶極間引力氫鍵

一般而言,離子鍵和共價鍵都是強鍵(\(\ce{> 40 kcal/mol}\) ),氫鍵則比較弱 (\(\ce{5-10 kcal/mol}\)),而偶極間引力稍弱 (\(\ce{1-5 kcal/mol}\)),范德華力更弱 (\(\ce{0-1 kcal/mol}\))。

分子間引力

偶極間引力主要取決於分子的偶極矩。極性分子擁有偶極矩,當分子的一端擁有部分正電荷時,另一端便擁有部分負電荷。

例如氯化氫中,氫原子帶部分正電荷,氯原子帶部分負電荷。當氯化氫分子互相靠近時,由於氯化氫分子中的氫原子擁有部分正電荷,因此它吸引另一個氯化氫分子中的氯原子;同時,氯化氫分子中的氯原子擁有部分負電荷,因此它吸引另一個氯化氫分子中的氫原子。這種分子間的吸引力就是偶極間引力

當分子與分子之間的偶極間引力越強,偶極間引力則越強,這會反映在分子的物理性質上(例如沸點和溶點的提升)。

鹵化氫是極性分子,它們都擁有不同程序的偶極矩,分子與分子之間主要由偶極間引力維繫。隨著分子之間分散力的提升,它們的沸點和熔點也會提升。

例如:\(\ce{HF}\) 的偶極矩比 \(\ce{HCl}\) 的偶極矩大,因此 \(\ce{HF}\) 的 沸點比 \(\ce{HCl}\) 的沸點高。

但為甚麼 \(\ce{HBr}\) 的沸點比 \(\ce{HCl}\) 高?

這是因為分子間引力除了偶極間引力之外,還包括分散力。雖然 \(\ce{HCl}\) 的偶極間引力比 \(\ce{HBr}\) 的強,但 \(\ce{HBr}\) 的分散力比 \(\ce{HCl}\) 的強更多,因此最終 \(\ce{HBr}\) 的分子間引力比 \(\ce{HCl}\) 的強。這便解釋了 \(\ce{HBr}\) 的沸點比 \(\ce{HCl}\) 高的原因。

\(\ce{HX}\) 熔點 (\(\ce{^{\circ} C}\)) 沸點 (\(\ce{^{\circ} C}\))
\(\ce{HF}\) \(−83\) \(20\)
\(\ce{HCl}\) \(−114\) \(−85\)
\(\ce{HBr}\) \(−87\) \(−67\)
\(\ce{HI}\) \(−51\) \(−35\)
卥化氫的熔點和沸點
偶極間引力

非極性分子(例如貴氣體、氫分子和鹵分子)並沒有偶極矩。但即使在常溫常壓下,這些非極性分子之中也有成員是液態或固態(例如溴是液態,碘是固態),從而推斷這些非極性分子之間都是由微弱的靜電荷吸引力互相牽引。(如果分子之間沒有吸引力或吸引力太微弱,這些分子在常溫常壓下便是氣態,例如氯是氣體。)

這種微弱的引力被稱為范德華力,又稱分散力范德華力是一種微弱的分子間引力,它存在於所有分子之中。當分子間擁有氫鍵或偶極間引力時,它的范德華力就顯得不重要;當分子沒有氫鍵或偶極間引力這些較強大的分子間引力時(例如非極性分子),它的范德華力就比較明顯。

范德華力源於分子中的電子瞬間的不平均分佈現象。就以最簡單的氫分子為例,整體而言,氫分子的電子平均地分佈在 \(2\) 個原子核之間。實際上,電子在 \(2\) 個原子核之間高速移動,時而偏左,時而偏右,但整體而言電子是分佈在 \(2\) 個原子核之間。

瞬時的偶極矩

由於氫分子中出現瞬間的電子不平均分佈現象,因此氫分子擁有瞬時的偶極矩,但由於整體而高,電子還是平均地分佈在 \(2\) 個原子核之間,因此它是非極性分子。

氯(左)、溴(中)和碘(右)

當分子中擁有越多電子,范德華力便越強,這會反映在分子的物理性質上(例如沸點和溶點的提升)。

鹵分子是非極性分子,分子與分子之間主要由范德華力維繫。隨著分子之間范德華力的提升,它們的沸點和熔點也會提升。

沸點和熔點的趨勢:\(\ce{F2 < Cl2 < Br2 < I2}\)

分子 分子內的電子數目 熔點 (\(\ce{^{\circ} C}\)) 沸點 (\(\ce{^{\circ} C}\))
\(\ce{F2}\) \(18\) \(−220\) \(−188\)
\(\ce{Cl2}\) \(34\) \(−101\) \(−35\)
\(\ce{Br2}\) \(70\) \(−7\) \(58\)
\(\ce{I2}\) \(106\) \(114\) \(184\)
卥素的熔點和沸點
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